生物技術(shù)研究進(jìn)展精選(九篇)

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第1篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

關(guān)鍵詞：土壤微生物；多樣性；DNA；提取技術(shù)

中圖分類號：S154.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5253-06

Advances of Total DNA Extraction Technology for Soil Microbial Diversity Research

XIAO Bin，JIANG Dai-hua，LIU Li-long，LIU Quan-dong

（College of Agronomy，Guangxi University，Nanning 530005，China）

Abstract： The influencing factors and application aspects， as well as the potentials and limitations of DNA extraction techniques for microbial diversity analysis were reviewed. Applying appropriate methods to extract microorganism DNA fragment that have right purity and appropriate size from soil were the precondition in soil microbial study on the molecular level， and the subsequent molecular biotechnology operations were all rely on these methods.

Key words： soil microorganism； diversity； DNA； extraction method

土壤微生物多樣性是生物多樣性研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，是指其在遺傳、種類、結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能方面的變化，對指示土壤微生物群落的穩(wěn)定性，在保持土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有重要意義[1]，是當(dāng)今國內(nèi)外關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題之一。

長期以來，由于研究方法的限制，傳統(tǒng)的分離純化培養(yǎng)技術(shù)僅能獲得土壤中微生物總種群數(shù)的1%左右，而絕大部分微生物目前還不能獲得純培養(yǎng)[2]，未能獲得純培養(yǎng)的微生物才是土壤微生物的主體，因此，有關(guān)微生物多樣性研究進(jìn)展不大。

近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究手段的更新，基于土壤微生物群落總DNA的現(xiàn)代微生物分子生態(tài)學(xué)研究方法避免了傳統(tǒng)分離培養(yǎng)方法的缺點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究[3]。因此作為微生物群落分子分析方法的基礎(chǔ)，最重要的一步就是從土壤樣品中盡量毫無偏差地提取出高質(zhì)量的、具有代表性的微生物總基因組DNA。關(guān)于土壤微生物DNA提取方法的報(bào)道很多[4，5]，然而這些方法主要側(cè)重于土壤中的細(xì)菌群落，很少關(guān)注土壤中真菌群落總基因組DNA的提取方法及其提取效果。另外，細(xì)胞裂解不完全、DNA分子吸附在樣品基質(zhì)顆粒的表面、從樣品中同時(shí)提取了某些重要酶的活性抑制劑、DNA分子的損耗、降解和破壞等因素也影響著土壤微生物DNA提取的質(zhì)量，因而提取土壤微生物總DNA在研究中尤為重要[6]。本文主要對DNA提取過程中的主要影響因素、現(xiàn)行各方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及存在的問題作一綜述。

1 基于DNA方法的土壤微生物多樣性研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)微生物學(xué)研究方法主要依賴于純培養(yǎng)技術(shù)和顯微鏡技術(shù)，對土壤微生物多樣性的描述與研究存在一定的局限性。20世紀(jì)中后期，隨著土壤微生物多樣性研究向多方面發(fā)展，人們嘗試著利用分析微生物細(xì)胞中某種指示成分，如磷脂脂肪酸（PLFA）來研究土壤微生物的種群組成，但是這些方法的缺陷是無法保證細(xì)胞中某種指示成分在土壤中的穩(wěn)定性，并且如果某種微生物的PLFA是未知的，則該不可培養(yǎng)微生物仍難以鑒別[7，8]。

1980年，Torsvik等[9]首次建立了從土壤樣品中直接提取細(xì)菌DNA的方法，并于1990年將其成功應(yīng)用于DNA雜交技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)1 g土壤中有4 000個(gè)以上不同的細(xì)菌種類，說明土壤中微生物多樣性是極其豐富的。后來研究者發(fā)現(xiàn)16S rDNA在原核微生物中普遍存在，并且含有相對保守和可變區(qū)域，在不同的個(gè)體間16S rDNA基因序列也不會(huì)進(jìn)行基因交換，因此，每一種生物都有自己的獨(dú)特序列。1986年，Pace[3]第一次以16S rDNA為基礎(chǔ)確定環(huán)境樣品中的微生物，使人們對大量不可培養(yǎng)微生物群體有了全新的認(rèn)識。此后，基于16S rDNA基因的指紋圖譜分析的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)得到迅速發(fā)展，包括限制性片段長度多態(tài)性分析（RFLP）、隨機(jī)擴(kuò)增DNA多態(tài)性分析（RAPD）、單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析（SSCP）、基因芯片（Microarray）、PCR-DGGE/TGGE 等，為全面揭示土壤微生物種群結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性提供了重要手段。其總的技術(shù)路線：分離微生物基因組DNA，用特異性引物擴(kuò)增16S rRNA基因片段，再將該P(yáng)CR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行更深一步分析，從而可在種、屬的水平上研究不同生境中的微生物種群結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化[10]。

2 土壤微生物總DNA的提取

從土壤樣品中提取DNA的方法大致可分為2類，即間接提取法和直接提取法。間接提取法首先是對土壤樣品進(jìn)行反復(fù)懸浮和離心，去除土壤等雜質(zhì)，提取土壤微生物細(xì)胞，再采用酶裂解細(xì)胞提取微生物總DNA。直接裂解法是不去除土壤等雜質(zhì)，而是通過物理的、化學(xué)的、酶解等手段相結(jié)合，直接裂解土壤中的微生物細(xì)胞，使其釋放DNA，再進(jìn)行提取和純化。但不論采用何種方法，都存在一定的缺陷，要想提取較完整的DNA需要具備以下幾個(gè)條件： ①土壤微生物能從土壤中充分釋放，尤其是那些緊緊吸附在土壤顆粒，甚至深藏于土壤微穴中的細(xì)菌等相對比較難分離的微生物。②對一些比較頑固的微生物，如革蘭氏陽性菌、孢子和小細(xì)菌的裂解，需要更劇烈的處理，而這又會(huì)造成對裂解敏感的細(xì)菌DNA折斷。③采集土壤樣品后應(yīng)盡快提取DNA，因?yàn)橥寥涝? ℃儲藏幾周就會(huì)造成大分子DNA的降解。

2.1 間接提取土壤微生物總DNA

Torsvik等[11]最先報(bào)道了從土壤中提取微生物DNA的間接法，包括以下4個(gè)步驟：①分散土壤；②土壤微生物的提?。ǚ蛛x細(xì)胞與土壤）；③土壤微生物的純化；④細(xì)胞裂解及DNA純化。

2.1.1 土壤分散 土壤微生物一般與土壤顆粒結(jié)合，包藏在土壤團(tuán)聚體內(nèi)，因此，最大限度地分散土壤是從土壤中分離提取微生物的關(guān)鍵。通常采用物理或化學(xué)法，或是二者相結(jié)合以達(dá)到微生物與土粒分離的目的。常用的物理分散技術(shù)是使用玻璃珠與土壤懸液一起振蕩，或是使用韋林氏攪拌器（勻漿器、轉(zhuǎn)子混合器）攪拌分散，或是使用超聲波分散土壤團(tuán)聚體等。而化學(xué)分散法是通過加入化學(xué)分散劑以達(dá)到促進(jìn)微生物與土粒分離的目的。最常用的分散劑為0.2%焦磷酸鈉，其他還有Winogradsky鹽溶液、Tris緩沖液、生理鹽水、六偏磷酸鈉、膽酸鈉、脫氧膽酸鈉、純水等[26]。值得注意的是，為有效地分散土壤，分散劑的種類、濃度、加入量、機(jī)械作用（振蕩、攪拌和超聲波等）的方式、時(shí)間以及容器的大小等均應(yīng)加以考慮。還可以將化學(xué)試劑與機(jī)械方法結(jié)合來懸浮土壤顆粒。研究發(fā)現(xiàn)Chelex100就是一種有效的土壤顆粒懸浮劑。各種分散方法分散效果不同，采用何種分散方法效果最佳目前尚無一致結(jié)論，而且防止細(xì)胞因物理、化學(xué)作用導(dǎo)致破裂提前釋放DNA很重要，處理不當(dāng)會(huì)使DNA降解。常用分離提取土壤微生物的土壤分散方法列入表1。

2.1.2 土壤微生物的提取 土壤微生物的提取通常采用離心分離法，既要使微生物與土壤顆粒分離，又要保證基本不破壞微生物細(xì)胞。由于土壤中細(xì)菌的平均密度（1.1 μg/cm3）遠(yuǎn)小于土壤礦物質(zhì)的平均密度（2.6 μg/cm3），因此采用離心或淘選法可使細(xì)菌與土壤顆粒得到較好的分離。Hopkins等[17]采用密度逐級離心法分離出60%以上的土壤細(xì)菌。此外，也有學(xué)者提出用過濾法，即將土壤樣品分散處理后，經(jīng)20 μm或30 μm微孔篩真空抽濾，其濾液中即可能含有絕大多數(shù)土壤細(xì)菌，此過程操作簡便，提取液中土壤殘留物少，易于純化。

由于土壤中的真菌、放線菌主要以菌絲的形態(tài)與土壤顆粒纏繞在一起以及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的特殊性，從土壤樣品中分離提取真菌放線菌要比提取單細(xì)胞的細(xì)菌相對困難。迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)分離提取真菌的研究文獻(xiàn)極少，且這些報(bào)道方法所提取的真菌菌絲只占真菌總生物量的極少部分。Vilarino等[21]在前人研究的基礎(chǔ)上提出了分離土壤真菌的原理：新鮮土壤經(jīng)分散后，土壤懸浮液中的菌絲可附著在慢速轉(zhuǎn)動(dòng)的銅絲（直徑150 μm）框上，洗脫后即得提取的土壤真菌。潘力等[22]以曲霉菌為例，采用微波處理菌絲并置于10× TE Buffer中即可得到DNA，建立了一種快速提取絲狀真菌DNA的實(shí)驗(yàn)方法，為高通量快速篩選絲狀真菌轉(zhuǎn)化子奠定了基礎(chǔ)。吳敏娜等[23]以傳統(tǒng)土壤總DNA提取方法及純菌DNA提取方法為基礎(chǔ)，分別與蝸牛酶、纖維素酶進(jìn)行組合、優(yōu)化，得到7種不同的土壤真菌基因組DNA提取方法。分離提取土壤細(xì)菌和真菌的流程如圖1所示。

2.1.3 土壤微生物的純化 目前常用兩相分離技術(shù)對上述土壤微生物提取液進(jìn)行純化。兩相分離技術(shù)最早為德國化學(xué)家Albertsson于20世紀(jì)50年代所建立，當(dāng)時(shí)主要用于生物大分子的分離。近些年該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物工程等領(lǐng)域，是一種分離、純化生物大分子、細(xì)胞、病毒的方法，該技術(shù)也逐步發(fā)展成為一種溫和的生物分離方法，相對于原始的純化手段具有過程簡單、純化時(shí)間較短等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[24]。關(guān)于其分離機(jī)制目前尚不完全清楚，有人認(rèn)為其分離的原理主要取決于不同組分的親水性差異，也有人認(rèn)為還與不同組分的電荷性質(zhì)差異有關(guān)。當(dāng)兩種互不相溶的聚合物以一定濃度溶于水中時(shí)，便可形成體積不同的兩相，被分離組分由于其與兩相的親和力不同，分別進(jìn)入不同相從而達(dá)到分離的目的。目前應(yīng)用最為廣泛的是PEG（聚乙二醇）/Dextran（葡聚糖）系統(tǒng)和PEG/無機(jī)鹽（磷酸鹽或硫酸鹽）系統(tǒng)。對于不同的兩相組分，分離時(shí)間不盡相同[25]。Smith等[19]研究了應(yīng)用兩相分離技術(shù)從土壤中分離純化非菌絲體微生物的效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)充分混合靜置一定時(shí)間后，即可形成上下兩層體積比約為4∶1的兩相分離系統(tǒng)，其中細(xì)菌主要富集在上層PEG相，土壤殘存顆粒將進(jìn)入下層Dextran相，經(jīng)4次提取純化，富集在上層PEG相的細(xì)菌總量約達(dá)加入兩相分離系統(tǒng)細(xì)菌總量的60%，而上層PEG相中的土壤礦質(zhì)顆?？偭績H占總加入量的4%以下。李妍等[26]用2%PEG+6%Dextran兩相分離技術(shù)（A2PP）純化細(xì)菌，測定細(xì)菌生物量，研究兩相分離技術(shù)在土壤微生物研究領(lǐng)域的可應(yīng)用性，結(jié)果表明采用0.1%膽酸鈉、鈉型離子交換樹脂、玻璃珠與土壤一起在4 ℃下振蕩2 h，能較好地分散、純化土壤細(xì)菌。研究表明，兩相分離技術(shù)同樣有可能用于分離純化土壤真菌。

2.2 直接提取土壤微生物總DNA

現(xiàn)今的土壤細(xì)菌DNA直接提取法是在Ogram等[27]建立的方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括兩個(gè)步驟：①原位細(xì)胞裂解；②DNA提取和純化。

2.2.1 原位細(xì)胞裂解 直接裂解土壤微生物細(xì)胞的方法包括：機(jī)械破碎法、化學(xué)法、酶解法及3種手段相結(jié)合。機(jī)械破碎法常用的有凍融法、微波、超聲波法和玻璃微珠震蕩法；化學(xué)法常用表面活性劑SDS和SarkosyI、熱酚、高鹽、異硫氰酸胍等；酶解法：裂解酶、溶菌酶、蛋白酶K、鏈霉蛋白酶等。其中溶菌酶不僅可處理革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁，還可水解糖苷鍵和腐殖酸。2種或多種方法相結(jié)合對DNA的提取效果較好。王嘯波等[28]采用PBS緩沖液洗滌土壤樣品，結(jié)合SDS裂解微生物細(xì)胞的方法，同時(shí)提取2種土壤樣品的微生物DNA和RNA，結(jié)果表明該法提取的核酸不需要進(jìn)一步處理，其純度就可以滿足后續(xù)的分子生物學(xué)試驗(yàn)，從而避免了由于純化導(dǎo)致的核酸量的降低。熊開容等[29]采用凍融+玻璃珠+溶菌酶+SDS方法提取了活性污泥中微生物DNA，結(jié)果表明獲得的DNA適合于酶解和PCR擴(kuò)增要求。

值得關(guān)注的是，土壤中微生物種類繁多，生理狀態(tài)不同，革蘭氏陽性和陰性細(xì)菌以及細(xì)菌與真菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和組成亦不相同。為了使提取的DNA具有代表性，就必須保證土壤樣品中所有微生物細(xì)胞裂解釋放出核酸，因此必須根據(jù)試驗(yàn)的性質(zhì)、要求選擇適當(dāng)裂解方法。研究表明，基于SDS的高鹽提取法會(huì)對一些革蘭氏陽性細(xì)菌效果不好。張瑞福等[30]采用凍融+溶菌酶+SDS方法提取3種芽孢桿菌（G+）DNA，結(jié)果表明經(jīng)凍融處理的霉?fàn)钛挎邨U菌均提取到了DNA，未經(jīng)凍融處理的霉?fàn)钛挎邨U菌未提取到DNA，且凍融處理未對DNA造成大的剪切，提取的DN段還大于23.1 kb。張穎慧等[31]使用優(yōu)化的CTAB法提取真菌基因組DNA。使用液氮凍融以及玻璃珠振蕩的方法代替了傳統(tǒng)的液氮研磨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法所需菌體量少，且得到的基因組DNA比用傳統(tǒng)的CTAB法得到的基因組DNA產(chǎn)率高、純度好且步驟簡單，適用于一次微量提取多個(gè)樣品的基因組DNA，可用于大部分分子生物學(xué)基本實(shí)驗(yàn)如PCR和DNA的酶切等。

2.2.2 DNA提取和純化 在已報(bào)道的DNA提取和純化方法中，通常采用飽和酚或氯仿和蛋白酶處理，去除DNA樣品中的蛋白質(zhì)和部分RNA，然后對DNA進(jìn)行抽提，再用乙醇、異丙醇或聚乙二醇（PEG）沉淀后，經(jīng)羥基磷灰石柱或氯化銫密度梯度超速離心等進(jìn)一步純化。其他純化方法有聚乙烯吡咯烷酮（PVPP）法、色譜法、電泳法、透析和過濾法、試劑盒法等。

Lamontagne等[32]研究結(jié)果表明PVP能夠與腐殖酸結(jié)合，起到有效去除提取的DNA中腐殖酸雜質(zhì)、提高DNA純度的作用。李靖宇等[33]采用氯化鈣-SDS-酶法對濕地土壤微生物DNA進(jìn)行提取，結(jié)果表明該方法能高效去除濕地土壤腐殖酸，純度較高，能直接滿足PCR擴(kuò)增。李鈞敏等[34]用含PVPP的緩沖液預(yù)洗DNA樣品，然后添加CaCl2和牛血清白蛋白可去除其中的腐殖酸，用PEG8000沉淀DNA，可提高DNA質(zhì)量，并證實(shí)這是一種簡便有效可直接應(yīng)用于PCR分析的土壤微生物總DNA的提取方法。蔡劉體等[35]采用 SDS-CTAB法提取煙草病圃土壤微生物總DNA，該方法既可達(dá)到裂解效果，還有助于去除腐殖酸，有利于提高所提取DNA 的質(zhì)量。吳紅萍等[36]采用酚氯仿和柱式腐殖酸去除劑對粗提取的土壤微生物DNA進(jìn)行純化后，可用于PCR擴(kuò)增，并以細(xì)菌16S rDNA基因引物可擴(kuò)增到相應(yīng)的片段。朱立成等[37]采用直接法提取土壤微生物總DNA，然后用Sephadex G-200凝膠離心層析法純化，可得到純度較高的DNA。段學(xué)軍等[38]采用稀釋模板及巢式PCR法很好地解決了在DNA提取純化過程中不能完全去除腐殖質(zhì)的問題。滕應(yīng)等[39]將BIO101 Systems公司研制的FastPrep多試管核酸提取系統(tǒng)與相應(yīng)的Fast DNA SPINKit for Soil試劑盒聯(lián)用，有效地提取了重金屬復(fù)合污染的農(nóng)田土壤微生物總DNA。

沒有哪種單一的純化步驟可以除去所有污染物，故許多研究者已經(jīng)將幾種純化步驟結(jié)合起來以期獲得最好的純化效果。Smalla等[40]將粗提的DNA進(jìn)行3步純化：①氯化銫密度梯度超速離心純化；②醋酸鉀沉淀；③Geneclean純化。發(fā)現(xiàn)經(jīng)前2步純化的DNA通過稀釋即可部分被限制性酶切和擴(kuò)增，但如不經(jīng)稀釋而進(jìn)行限制酶切和擴(kuò)增，則必需進(jìn)行最后一步純化。

2.2.3 直接法和間接法的比較 研究表明，直接法獲得的DNA較多，但不易去除抑制劑，間接法提取的DNA只占直接法的1/10，但分離的DNA純度較高，而且間接法得到的細(xì)菌量只占總菌群的25%～50%，直接法提得的DNA卻可以超過細(xì)菌總DNA的60%。因此，要想獲得大量DNA，選擇直接法較好，當(dāng)所需DNA量不大，而且要排除真核或胞外DNA污染時(shí)，可用間接提取法。

直接提取對某些特定樣品用特定的操作方法能獲得較高的提取效率，但是對有些生物量不高的樣品則很難得到足夠的環(huán)境總DNA用于后續(xù)操作，適合在樣品生物量較大但采樣量不大的情況下采用。間接提取在提取效率上遠(yuǎn)小于直接提取，但用間接提取法所得到的環(huán)境總DNA純度較高，所有樣品能直接用于PCR擴(kuò)增，并且能更好地體現(xiàn)樣品中微生物的多樣性，適用于有大量樣品的情況。

2.3 DNA的純度和濃度測定

DNA在260 nm處有吸收峰，腐殖酸在230 nm處有吸收峰，計(jì)算OD230/OD260（腐殖酸/DNA）的比值可以確定所提DNA中腐殖酸的污染程度。一般情況下OD230/OD260比值應(yīng)在0.4～0.5之間為好， OD230/OD260比值越高，腐殖酸污染越嚴(yán)重。蛋白質(zhì)在280 nm處有吸收峰，因此OD260/OD280比值經(jīng)常被用來指示DNA中蛋白質(zhì)的污染程度，當(dāng)OD260/OD280比值為1.8～2.2時(shí)，DNA較純，當(dāng)受蛋白質(zhì)或其他雜質(zhì)污染時(shí)，OD260/OD280值則較低[41]。此外，還可采用PCR擴(kuò)增檢測DNA的純化質(zhì)量，所用擴(kuò)增引物見文獻(xiàn)[42]。

提取的DNA濃度也可根據(jù)測定的OD260值計(jì)算，根據(jù)公式[dsDNA]=50×OD260×稀釋倍數(shù)，計(jì)算DNA的濃度（μg/mL），換算出每克干土提取DNA的量[43]；還可采用DyNA Quant 200熒光儀對純化后DNA的濃度進(jìn)行測定[28]。

3 影響土壤微生物總DNA提取的因子

土壤成分復(fù)雜，含有大量的有機(jī)及無機(jī)等多種生物活性抑制物，如腐殖酸、多酚類化合物、重金屬等，它們的存在可能影響土壤DNA的提取質(zhì)量，抑制DNA聚合酶的活性從而影響土壤微生物多樣性的分析。研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸是土壤DNA提取過程中極難去除的污染物，由于它的分子大小和理化性質(zhì)與DNA相似，過分注重腐殖酸的去除，勢必會(huì)造成DNA的大量損失，因此腐殖酸的有效去除是土壤DNA提取的難點(diǎn)所在。

各種土壤類型、質(zhì)地和成分的差異，都會(huì)影響土壤微生物DNA的提取效果。Zhou等[44]用SDS-CTAB法從8種土壤（包括沃土、沙沃土和沙黏土，其中黏土含量為5%～31%不等）中提取DNA，平均獲得DNA的量為0.5～26.9 μg/g，并發(fā)現(xiàn)獲得的DNA量與土壤的有機(jī)磷含量有明顯的正相關(guān)關(guān)系。另外，研究也發(fā)現(xiàn)，土壤中細(xì)菌的裂解效率與其中黏粒的含量呈明顯的負(fù)相關(guān)。土壤中各粒級顆粒對細(xì)菌的吸附量從大到小的順序?yàn)椋吼ち！⒎哿?、?xì)沙粒、粗沙粒，其中黏粒是粉粒的3.7～4.9倍、細(xì)沙粒的44.3～89.2倍、粗沙粒的262.0～799.0倍，細(xì)菌在粒徑不同的土壤顆粒表面的最大與最小吸附量分別相差389.0和857.0倍，去有機(jī)質(zhì)土壤顆粒對細(xì)菌吸附親和力較含有機(jī)質(zhì)土壤顆粒的大[45]。因此，不同的土壤適合于不同的DNA提取方法，在土壤DNA提取過程中，應(yīng)針對土壤類別選取合適的提取方法，以便進(jìn)行后續(xù)研究。

4 小結(jié)

從土壤微生物群體基因組的角度研究其多樣性及功能是可行的方法，并受到廣泛的關(guān)注[46]。因而越過分離培養(yǎng)的步驟，直接從土壤中獲得總DNA以分析土壤微生態(tài)群落結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是如何盡可能全面地提取土壤中微生物的總DNA。土壤本身成分復(fù)雜，有許多物質(zhì)難以預(yù)料，對提取較好質(zhì)量的DNA提出了很高的要求。因此建立一種簡單有效的提取方法顯得非常重要。

間接法提取的微生物DNA純度較高，提取的種類和數(shù)量較少；直接提取法直接在土壤中裂解細(xì)胞，使其中內(nèi)含物盡可能地釋放，能夠代表大部分的土壤微生物，但土壤中所含物質(zhì)種類較復(fù)雜，所以提取的DNA質(zhì)量受到很大的影響，需要進(jìn)一步純化，而這些處理往往造成部分DNA的喪失，可能使在土壤中本身存在量較少的種類喪失或檢測不到，影響到土壤微生物多樣性的分析。最近，Milko等[47]發(fā)現(xiàn)一種Taq DNA聚合酶基因突變型可增加對腐殖酸等PCR抑制物的抗性，不需要對基因組DNA進(jìn)行純化就可以進(jìn)行后續(xù)的分子生物學(xué)分析，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

絕大多數(shù)直接提取法提取的DN段長度不會(huì)超過23 kb，而DNA的某些用途如宏基因組文庫構(gòu)建，需要大片段的DNA，直接提取法對此幾乎無能為力。

在DNA提取產(chǎn)率高即表示其所代表的微生物多樣性高的前提下，DNA直接提取法被認(rèn)為是較好的方法并被廣泛應(yīng)用[48]。但近年來有研究表明DNA提取的產(chǎn)率高不等同于微生物的多樣性高，間接提取法又再次被提出并用于相關(guān)研究[49]。這就要求在選擇提取方法時(shí)不僅要試用直接提取和間接提取這兩類方法，而且在每類方法中也要試用不同的處理組合方式，以使后續(xù)操作能順利進(jìn)行，并得到準(zhǔn)確可信的研究結(jié)果。

評價(jià)一種土壤微生物DNA提取方法是否有效，除了通常要求的提取片段無降解且比較完整外，還需要能夠有效去除土壤中大量存在的影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)，如腐殖酸、腐殖酸似物、酚類化合物、重金屬離子等；能在單位樣本量中比較徹底地提取出微生物DNA；提取方法應(yīng)具有普適性，對土壤中大多數(shù)微生物能夠有效等[50]，且提取的DNA能更好地代表土壤微生物的真實(shí)性和異質(zhì)性。

5 展望

目前，國內(nèi)外對土壤微生物總DNA提取方法的報(bào)道很多，但每一種方法都存在一定的缺陷。因此，從土壤樣品中提取DNA還沒有通用的最佳方案，需要根據(jù)具體的土壤特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?。在提取過程中還要兼顧實(shí)驗(yàn)操作是否簡便，方法是否經(jīng)濟(jì)以及樣品量是否充足。另外，將現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)微生物研究方法結(jié)合起來，才能更全面地認(rèn)識和理解土壤微生物群落多樣性及其相應(yīng)的生態(tài)功能。

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第2篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

關(guān)鍵詞：生物脫氮 短程硝化一反硝化 生物電極脫氮工藝 好氧脫氨工藝

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2012）001-124-02

1 引言

近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物脫氮在技術(shù)和工藝上取得了長足進(jìn)步，發(fā)展出了：(1)同步硝化反硝化；(2)短程硝化反硝化；(3)厭氧氨氧化工藝；(4)全程自養(yǎng)脫氮工藝；(5)其它生物脫氮新工藝（好氧脫氨工藝和Sharon-Anammox聯(lián)合工藝）等新技術(shù)和工藝。

本文主要系統(tǒng)介紹上述新技術(shù)和工藝的機(jī)理及發(fā)展進(jìn)度，并對其可能存在的問題進(jìn)行了分析。

2 生物脫氮傳統(tǒng)工藝及存在的問題

廢水生物脫氮傳統(tǒng)工藝原理是硝化和反硝化反應(yīng)，硝化反應(yīng)是指在好氧硝化菌的作用下把氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，反硝化反應(yīng)是指反硝化菌在缺氧條件下將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓ㄟ^硝化和反硝化反應(yīng)將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴亩鴱膹U水中去除。具體工藝?yán)纾篈／O、A2／O、UCT、JBH、AAA等，都是典型的傳統(tǒng)硝化反硝化工藝。

這些工藝在廢水脫氮的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了一定的作用，但仍存在以下問題：(1)硝化過程需要曝氣；(2)由于曝氣使廢水中的COD大部分被去除，而反硝化程需要一定的碳源，因此往往需要另外加入碳源；(3)在低溫條件下硝化菌群的增殖速度慢，而且難以維持較高生物濃度。因而必須延長總水力停留時(shí)間(HRT)，造成了基礎(chǔ)建設(shè)投資的增加；(4)高濃度的氨氮和亞硝酸鹽廢水會(huì)抑制硝化菌的生長；(5)為了中和硝化過程產(chǎn)生的酸度，需要加堿中和；(6)為了獲得良好的脫氮效果及維持較高生物濃度，必須同時(shí)進(jìn)行污泥和硝化液的回流，增加了動(dòng)力消耗。

3 新型生物脫氮工藝

3.1 同步硝化反硝化

同步硝化-反硝化工藝是利用了：(1)硝化過程的產(chǎn)物是反硝化的反應(yīng)物；(2)反硝化過程產(chǎn)生硝化所需的堿。從而使脫氮過程在同一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

和傳統(tǒng)硝化-反硝化脫氮工藝相比，同步硝化-反硝化工藝有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：(1)縮小反應(yīng)器體積，縮短反應(yīng)時(shí)間；(2)無需酸堿中和；(3)降低了曝氣要求，增加了設(shè)備的處理負(fù)荷并節(jié)省能耗，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作；(4)完全脫氮。目前，同步硝化-反硝化生物脫氮工藝的研究主要集中在氧化溝、生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床等系統(tǒng)。但是在同步硝化-反硝化工藝中有機(jī)碳源的可生化利用性對反硝化速率的影響以及同時(shí)硝化反硝化過程中除氮特性的研究都是有待深化的問題。

3.2 短程硝化反硝化

短程硝化-反硝化是通過抑制硝化菌的活性，使硝化的產(chǎn)物停留在N02-階段，然后在進(jìn)入反硝化階段將N02--N還原為N2。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化相比，短程硝化-反硝化具有：(1)硝化階段需氧量減少25％；(2)反硝化階段所需碳源減少40％，反硝化率提高63％；(3)厭氧反硝化階段剩余污泥量減少30％；(4)水力停留時(shí)間較短，反應(yīng)器的容積可減少30％一40％；(5)減少了投堿量；(6)縮短了反應(yīng)歷程，增加了脫氮效率等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)短程硝化-反硝化的關(guān)鍵在于將NH4+的氧化有效控制在N02-階段，然后直接進(jìn)行反硝化。但是到目前為止，將硝化反應(yīng)有效控制在N02-階段的報(bào)道并不多見，具代表性的有荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)于1997年開發(fā)的Sharon工藝，但是Sharon工藝也有明顯缺點(diǎn)：(1)較高的溫度條件限制其在低溫地區(qū)和季節(jié)的應(yīng)用；(2)反應(yīng)器生態(tài)系統(tǒng)中NO2-的累積具有致癌風(fēng)險(xiǎn)等。

3.3 厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化工藝由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)末開始研究，并于21世紀(jì)初成功開發(fā)出的一種新型的生物脫氮工藝。厭氧氨氧化是以亞硝酸鹽作為氧化劑取代氧氣將氨氧化成氮?dú)猓蛞园弊鳛殡娮庸w取代有機(jī)物將亞硝酸鹽還原成氮?dú)?。厭氧氨氧化反?yīng)是一個(gè)全新的生物反應(yīng)，發(fā)生厭氧氨氧化的前提是氨和亞硝酸或硝酸鹽同時(shí)存在，且不存在氧。

厭氧氨氧化有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)反應(yīng)過程在厭氧條件下進(jìn)行，供氧能耗大幅度下降；(2)不再需要外加有機(jī)物，可節(jié)省費(fèi)用；(3)反應(yīng)過程一步完成，產(chǎn)酸量下降，減少加堿量。和上述工藝相比厭氧氨氧化工藝完全脫離了硝化-反硝化的范疇，為處理高氨氮、低 BOD的廢水開辟了一條最優(yōu)途徑，同時(shí)也為生物脫氮技術(shù)開拓了新思路。

3.4 全程自養(yǎng)脫氮工藝

3.4.1 兩階段限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝(OLAND)

兩階段限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝，是硝化反應(yīng)和厭氧氨氧化相結(jié)合的一種新型生物脫氮工藝。該工藝分為兩個(gè)部分進(jìn)行：第一步是將廢水中的一半氨氮氧化為亞硝酸鹽；第二步是亞硝酸鹽與剩余另一半氨氮發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，從而達(dá)到脫氮的目的。實(shí)現(xiàn)兩階段限氧自養(yǎng)硝化反硝化工藝的關(guān)鍵在于亞硝化階段嚴(yán)格控制廢水溶解氧水平，將近50％的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，從而實(shí)現(xiàn)硝化階段穩(wěn)定的出水比例NH4+／N02-：(1．2．2)，為厭氧氨氧化階段提供理想進(jìn)水，提高整個(gè)工藝的脫氮效率。

和傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，Oland工藝有如下特點(diǎn)：(1)理論上只需將一半的氨氮氧化；(2)不需外加有機(jī)碳源；(3)污泥量產(chǎn)生少。這些特點(diǎn)都將有效降低其運(yùn)行成本。目前OLAND工藝還停留于實(shí)驗(yàn)室探索階段。

3.4.2 一體化完全自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)(CANON)

Canon工藝是2002年首先由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)提出的新型工藝生物脫氮工藝。在Canon工藝中，亞硝酸細(xì)菌把氨氧化成亞硝酸鹽；厭氧氨氧化菌則把氨和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮?dú)?。整個(gè)脫氮過程在亞硝酸菌和厭氧氨氧化菌的協(xié)作下完成。亞硝酸菌的基質(zhì)是氨和氧氣，厭氧氨氧化細(xì)菌的基質(zhì)是氨和亞硝酸鹽，在沒有外源亞硝酸鹽的情況下，厭氧氨氧化菌有賴于亞硝酸菌提供基質(zhì)。由于厭氧氨氧化菌和亞硝酸菌都是自養(yǎng)型細(xì)菌，因此Canon工藝無需外源有機(jī)物，能夠在完全無機(jī)的條件下進(jìn)行。

Sliekers AO等分別選用批式反應(yīng)器和氣提式反應(yīng)器，對Canon工藝進(jìn)行了運(yùn)試，效果令人滿意。目前，Canon工藝還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。

3.5 其它生物脫氮新工藝

3.5.1 好氧脫氨工藝

1997年首先由德國Hannover大學(xué)提出的新型生物脫氮工藝。在傳統(tǒng)的生物脫氮中，氨在氧化過程中和消耗的氧之間存在一定的當(dāng)量關(guān)系；在去除的硝酸鹽與消耗的有機(jī)物之間也存在一定的當(dāng)量關(guān)系。然而，在許多實(shí)際的生物脫氮系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氨的超量去除。Hippen等把這個(gè)氨和硝酸鹽的超量去除現(xiàn)象稱為好氧脫氮。目前，好氧脫氨工藝還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。

Siegrist等認(rèn)為，可采用兩種方式來開發(fā)好氧脫氨工藝。其一是通過設(shè)計(jì)和操作控制，使反應(yīng)器交替產(chǎn)生好氧和缺氧條件，從而使亞硝酸鹽和厭氧氨氧化菌輪流作用，以實(shí)現(xiàn)氨至氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化；其二通過通過設(shè)計(jì)和操作控制，使反應(yīng)器內(nèi)的微生物形成生物膜，讓亞硝酸菌分布于好氧表層，厭氧氨氧化分布于缺氧內(nèi)層，并利用基質(zhì)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)氨至氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化。

3.5.2 Sharon-Anammox聯(lián)合工藝

雖然Sharon工藝處理富氨廢水的效果比較好，但在反硝化過程中需要消耗碳源，因此有人利用其作為亞硝化反應(yīng)器，將近50％氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，再利用Anammox工藝將剩余的氨氮和產(chǎn)生的亞硝酸鹽經(jīng)自養(yǎng)菌作用生成N2。形成一個(gè)新型的生物脫氮聯(lián)合工藝。

和傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比，Sharon-Anammox聯(lián)合工藝具備以下優(yōu)點(diǎn)：(1)耗氧量少；(2)污泥產(chǎn)生量少；(3)不需外加碳源。雖然各國學(xué)者對Sharon-Anammox聯(lián)合工藝進(jìn)行了宏觀和微觀的研究，但對其反應(yīng)的途徑及微生物生理特性的研究還不夠深入，需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

4 生物脫氮新技術(shù)發(fā)展和展望

與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比，生物脫氮新技術(shù)處理氨氮廢水時(shí)具有明顯的優(yōu)勢，但脫氮機(jī)理的研究大多數(shù)仍處在實(shí)驗(yàn)階段，工藝有待進(jìn)一步深入研究，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)考慮各個(gè)反應(yīng)關(guān)聯(lián)問題如：溶解氧、泥齡、碳源和硝酸鹽等，這是生物脫氮系統(tǒng)運(yùn)行好壞的關(guān)鍵。由于脫氮理論研究的深入，新工藝層出不窮，各種工藝有機(jī)組合使用以達(dá)到更好的處理效果；新的填料和新的硝化細(xì)菌等的探索和研究。隨著生物學(xué)機(jī)理的深入揭示和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展與滲透，生物脫氮技術(shù)已不僅僅是單一追求較高的NH4+-N去除率，而是向著這一簡潔、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，這是現(xiàn)在脫氮技術(shù)發(fā)展的趨勢。

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第3篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

關(guān)鍵詞:醫(yī)藥生物技術(shù);產(chǎn)業(yè)化;措施

近年來，醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，為各行各業(yè)帶來了較為廣闊的發(fā)展空間，將生物技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，不僅使得醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，也使得其成為相對活躍的產(chǎn)業(yè)之一。雖然醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展的態(tài)勢良好，但仍然存在著大大小小的問題，需要我們?nèi)ヌ剿骱徒鉀Q，才能使得醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)跨向一個(gè)更高的臺階。

1醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展的總趨勢

從全球醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展的狀況來看，生物技術(shù)在醫(yī)藥行業(yè)的運(yùn)用，正在引發(fā)著醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的重大變革。在2000年，全球生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的銷售額高達(dá)500多億美元，而醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的銷售額就占去了60%，實(shí)際上自90年代以后，全球生物技術(shù)藥品的銷售額以年均30%的速度增長著。

2我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

我國的醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相較國外的發(fā)展情況而言起步相對較晚，但是隨著國家在醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支持力度的加大，使得醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)有了較快的發(fā)展，縮短了與西方先進(jìn)國家的差距，在全球醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中占有了一席之地。

3我國醫(yī)藥生物技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的問題

隨著我國社會(huì)的不斷向前發(fā)展，醫(yī)藥生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了很大的進(jìn)步，但是其發(fā)展過程中，不斷的涌現(xiàn)出了許多問題，如在醫(yī)藥生物技術(shù)領(lǐng)域的資金投入不足;生物醫(yī)藥產(chǎn)品的自主創(chuàng)新不足，產(chǎn)品的研發(fā)能力有限等問題，這些問題在很大程度上阻礙了我國醫(yī)藥生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的更好發(fā)展。

3．1自主研發(fā)產(chǎn)品能力有限，創(chuàng)新性不足

在我國現(xiàn)有的生物技術(shù)藥物中，只有少數(shù)部分是自主研發(fā)，擁有產(chǎn)品的自主產(chǎn)權(quán)，而絕大部分則是依靠國外的醫(yī)藥生物技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的仿制，真正的自主創(chuàng)新其實(shí)很少，以至于出現(xiàn)藥品研制上的重復(fù)，藥品生產(chǎn)的過量等多種問題，再加上國內(nèi)缺乏對醫(yī)藥生物技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的意識，使得部分的醫(yī)藥生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展停滯不前，導(dǎo)致藥品生產(chǎn)企業(yè)之間的競爭壓力增大，企業(yè)的利潤不斷減少，嚴(yán)重的出現(xiàn)虧損現(xiàn)象，最終血本無歸。有的藥品生產(chǎn)商為了避免出現(xiàn)這種情況，選擇企業(yè)著重于仿制藥品的生產(chǎn)，因?yàn)榉轮扑幤房梢詼p少自主研發(fā)的資金投入，相對來說費(fèi)用較少，而且盈利較快，風(fēng)險(xiǎn)也就相對較低，這種思想的循環(huán)使得我國的醫(yī)藥生物技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)突破性的創(chuàng)新。

3．2醫(yī)藥生物技術(shù)的研究成果難以轉(zhuǎn)化為醫(yī)藥產(chǎn)品

這些年經(jīng)過醫(yī)藥生物技術(shù)研究方面專業(yè)人才的努力，我國的醫(yī)藥生物技術(shù)在研究方面較以前取得了很大的進(jìn)展，但現(xiàn)實(shí)是很難將這種研究上的成果轉(zhuǎn)化為醫(yī)藥產(chǎn)品。

3．3在醫(yī)藥生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的投資不足

從我國在醫(yī)藥技術(shù)研究中的投入資金來看，是遠(yuǎn)少于國外在醫(yī)藥領(lǐng)域的資金投入的，這也是為什么我國的醫(yī)藥生物技術(shù)的研究難有創(chuàng)新性的發(fā)展。醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)本就是高風(fēng)險(xiǎn)、高投資、高回報(bào)的產(chǎn)業(yè)，醫(yī)藥生物產(chǎn)業(yè)得不到充足的資金支持，勢必會(huì)阻礙其研發(fā)過程的進(jìn)展，從而影響我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

3．4我國醫(yī)藥企業(yè)規(guī)模相對較小，競爭力較弱

隨著近些年我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了較多的生物制藥企業(yè)，但是這些企業(yè)普遍的特點(diǎn)就是規(guī)模較小，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱，自主研發(fā)新產(chǎn)品的能力較低，因此在醫(yī)藥行業(yè)的國際競爭中的競爭能力較差，抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱，這顯然對我國的醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分不利。

4解決我國醫(yī)藥生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的措施

隨著經(jīng)濟(jì)、政治、文化、科技全球化趨勢的不斷增強(qiáng)，每個(gè)國家、各個(gè)行業(yè)都面臨著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，對醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)來說也不例外。在競爭如此激烈的大環(huán)境中，要加快我國醫(yī)藥生物技術(shù)的自主研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可以采取以下措施:

4．1端正態(tài)度，客觀認(rèn)識到我國醫(yī)藥生物技術(shù)的發(fā)展與世界先進(jìn)國家的水平。

在擺正態(tài)度的同時(shí)，總結(jié)我國醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，同時(shí)加強(qiáng)與先進(jìn)國家的交流，積極吸取、引進(jìn)國外的先進(jìn)醫(yī)藥生物技術(shù)，自主研發(fā)創(chuàng)新醫(yī)藥產(chǎn)品，形成我們自己的國際競爭優(yōu)勢。

4．2加大在醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的資金投入。

從醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的性質(zhì)可以看出，想要實(shí)現(xiàn)我國醫(yī)藥生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，就需要我們集中人力、物力、財(cái)力，加大在醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的投入，有重點(diǎn)、有針對性的扶持醫(yī)藥生物技術(shù)項(xiàng)目，提高我們的醫(yī)藥生物技術(shù)水平。同時(shí)，還應(yīng)該注重培養(yǎng)醫(yī)藥生物技術(shù)方面的專業(yè)人才，提高醫(yī)藥生物技術(shù)人才的專業(yè)素養(yǎng)，為我國醫(yī)藥生物技術(shù)的研究與發(fā)展注入新生力量。

4．3注重醫(yī)藥生物技術(shù)研究成果向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)上下游技術(shù)的完美銜接。

在加強(qiáng)醫(yī)藥生物技術(shù)的研究的同時(shí)，注重研究成果的轉(zhuǎn)化，建立好高校的醫(yī)藥生物技術(shù)研究和藥品生產(chǎn)企業(yè)的溝通、合作橋梁，實(shí)現(xiàn)雙方的完美銜接。

5結(jié)語

綜上所述，我國的醫(yī)藥生物技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，雖然在這一過程中仍有些許問題有待解決，但是我國醫(yī)藥生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍然勢不可擋，相信在其未來的發(fā)展過程中，必將實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性飛躍。

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第4篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

【關(guān)鍵詞】 生物淋濾 污水污泥 重金屬

1 引言

隨著我國城市污水處理率的逐年提高，污水處理廠的污泥產(chǎn)量也急劇增加。污水污泥通常經(jīng)過機(jī)械脫水后再進(jìn)行后期處置，傳統(tǒng)的處置方法主要有衛(wèi)生填理、焚燒、海洋處理和土地利用。其中土地利用是最常用、最具備經(jīng)濟(jì)性的方法[1]。污水污泥中含有占其干重0.5-2%的重金屬[2]，因此在污泥土地利用之前必須進(jìn)行處理以避免二次污染。污水污泥中重金屬的處理基本思路是重金屬穩(wěn)定化（控制重金屬的生物活性）和減量化。但污泥穩(wěn)定化后，隨著土壤pH、氧化還原電位等環(huán)境條件的改變，重金屬有可能重新溶出或其生物毒性增加而造成污染。因此，高效且經(jīng)濟(jì)的生物淋濾方法成為了研究的熱點(diǎn)[3]。

2 主要微生物種類及特征

可用來進(jìn)行生物淋濾的細(xì)菌有硫桿菌屬、氧化亞鐵鉤端螺旋菌屬、硫化桿菌屬、酸菌屬、嗜酸菌屬以及其它與硫桿菌聯(lián)合生長的兼性嗜酸異養(yǎng)菌。其中，應(yīng)用最廣泛的是氧化亞鐵硫桿菌，其次是氧化硫硫桿菌和鐵氧化鉤端螺旋菌[4]。一般說來，應(yīng)用于淋濾重金屬的微生物以其生長的溫度可以大致分為中溫菌和嗜高溫菌。

2.1 中溫菌

中溫菌主要有氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌、器官硫桿菌、嗜酸硫桿菌、溫浴硫桿菌和氧化亞鐵鉤端螺旋菌。其中氧化亞鐵硫桿菌的最適溫度在30-35℃之間，其最適pH為2-3。氧化亞鐵硫桿菌的生物膜由外膜、肽聚糖、周質(zhì)區(qū)和內(nèi)膜構(gòu)成。周質(zhì)區(qū)存在鐵氧化酶，從外界培養(yǎng)液跨膜運(yùn)輸?shù)街苜|(zhì)區(qū)的Fe2+在鐵氧化酶催化下失去一個(gè)電子，這個(gè)電子傳遞給分子氧并伴隨H+和能量的吸收，這一能量使細(xì)胞內(nèi)ADP（二磷酸腺苷）和Pi（無機(jī)磷）結(jié)合成ATP（三磷酸腺苷）使細(xì)菌得以生長繁殖[5]。氧化硫硫桿菌是普遍存在于污水污泥中的微生物，它通過氧化還原性硫來獲得能量，其最適溫度在28-30℃之間，最適pH為1.5-2.0。

2.2 嗜高溫菌

在較高溫度的條件下，古菌成為了重金屬淋濾的優(yōu)勢菌種[6]。Sulfobacillus thermosulfidoxidans及其相近的菌種可以在較高溫度條件下實(shí)現(xiàn)較快的淋濾速率。極端嗜高溫菌可以在70℃時(shí)生長，并利用硫或硫代硫酸鹽作為能源，主要包括Sulfolobous viz.S. ambivalens、S. brierleyi和Thiobacter subterraneus。

3 生物淋濾機(jī)理

污泥厭氧消化是國內(nèi)外污泥消化的主要形式，厭氧消化污泥中重金屬70%以難溶性的硫化物（Cr主要以Cr（OH）3形式）形式存在[7]，在氧化亞鐵硫桿菌等細(xì)菌的作用下，金屬硫化物變成可溶性的金屬硫酸鹽，通過固液分離可達(dá)到去除污泥中重金屬的目的。

一般認(rèn)為生物淋濾污泥中重金屬有兩種作用機(jī)理[8-9]：

3.1 直接機(jī)理

細(xì)菌通過其分泌的胞外多聚物直接吸附在污泥中金屬硫化物（MS）表面，通過細(xì)胞內(nèi)特有的氧化酶系統(tǒng)直接氧化金屬硫化物，生成可溶性的硫酸鹽，見式：

M表示重金屬 （1）

通常，污水污泥中的金屬硫化物如NiS，CuS和ZnS等可以通過上式所示的機(jī)理被溶解。

3.2 間接機(jī)理

在以硫?yàn)榛A(chǔ)的淋濾過程中，污水污泥中的元素硫或還原性硫化物通過氧化硫硫桿菌氧化成硫酸，進(jìn)而污泥中的pH來提高重金屬的溶解[10]。

（2）

（3）

Me為二價(jià)金屬。

在以鐵為基礎(chǔ)的淋濾過程中，細(xì)菌在液相中先將Fe2+氧化到Fe3+，F(xiàn)e3+隨后再通過與重金屬硫化物的反應(yīng)而淋濾出來。在這個(gè)過程中，細(xì)菌不需要接觸到礦物的表面[11]。

（4）

（5）

反應(yīng)式（4）和（5）構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)，使得越來越多的重金屬被淋濾出來，在反應(yīng)式（5）中產(chǎn)生的硫酸還可以促進(jìn)以硫?yàn)榛A(chǔ)的間接淋濾過程。

4 淋濾模式

4.1 序批淋濾模式

目前，關(guān)于污水污泥重金屬淋濾的實(shí)驗(yàn)室研究大多都是在序批式反應(yīng)器中進(jìn)行。Wong和Henry[12]報(bào)道了在序批實(shí)驗(yàn)中使用氧化亞鐵硫桿菌淋濾厭氧消化污泥的研究。在以FeSO4為能源時(shí)，8d內(nèi)對Cu、Ni、Zn、Cd和Pb的去除率分別為65%、78%、87%、86%和0%。淋濾的最佳起始pH是4，最佳的溫度范圍是25-30℃。與純培養(yǎng)的氧化亞鐵硫桿菌淋濾序批實(shí)驗(yàn)相比，氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌混合菌種對重金屬的淋濾效果要高10%。10 d內(nèi)混合菌種對厭氧消化污泥中Zn、Cu、Cd和Pb的去除率分別為95%、75%、50%和55%。針對23種市政污水污泥的序批淋濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化硫硫桿菌對重金屬的平均溶解率為62.5%，要高于氧化亞鐵硫桿菌的49.5%[13]。不同菌種的淋濾效率的差異主要是由于系統(tǒng)間pH的不同所致，一般認(rèn)為較低的pH會(huì)導(dǎo)致污泥中重金屬較高的溶解率。對與大多數(shù)的污泥中的重金屬來說，高效淋濾所需的pH范圍是2-3之間。在淋濾序批實(shí)驗(yàn)中，雖然大部分的研究針對的都是厭氧消化污泥，但是Couillard等[14]報(bào)道了使用氧化亞鐵硫桿菌淋濾好氧污泥的研究。在提前將污泥酸化至pH為4，假如FeS作為能源的條件下，污泥中的重金屬能在1-2d內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的溶出。由于氧化亞鐵硫桿菌對簡單的有機(jī)物，如有機(jī)酸、低分子量糖類、氨基酸等特別敏感，所以污泥中含有較高濃度的有機(jī)物會(huì)抑制其序批淋濾效果[15]。

4.2 連續(xù)淋濾模式

連續(xù)淋濾模式可以提高污泥處理量，適合于大規(guī)模的應(yīng)用，但是目前對此的研究很少。連續(xù)模式的淋濾研究一般均在連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（CSTR）中進(jìn)行。Couillard和Mercier[16]報(bào)道了使用氧化亞鐵硫桿菌在CSTR和帶污泥回流的CSTR（CSTRWR）系統(tǒng)中的淋濾研究結(jié)果。在HRT為1、2、3和4d，以1g/L的FeSO4·7H2O為能源時(shí)，CSTR與CSTRWR有基本一致的淋濾效率，對Ni和Cd的去除率分別為82.4-83%和83.3-85%。Tyagi等[17]研究了使用純培養(yǎng)氧化亞鐵硫桿菌的連續(xù)淋濾反應(yīng)器中HRT、污泥回流比的影響。研究結(jié)果表明在HRT為0.75d，回流比為20%的情況下，超過90%的Cu和Zn能被淋濾出來。而Seth等[18]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)連續(xù)式淋濾工藝的HRT為14d，使用1.5g/L的S作為能源時(shí)，Cd、Cu、Ni和Zn的去除率分別為50、33、48和74%。

4.3 污泥消化與同步生物淋濾

污泥消化與同步生物淋濾（SSDML）是污泥消化過程和生物淋濾過程在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)病原體、污泥揮發(fā)性固體和重金屬的同步去除。SSDML可以在序批或連續(xù)式曝氣攪拌槽反應(yīng)器中得以實(shí)現(xiàn)。通常，以硫?yàn)榛A(chǔ)的生物淋濾過程在中性pH的條件下開始反應(yīng)，所以可以與好氧污泥的消化過程組合在一起。Tyagi等[19]的研究結(jié)果表明污泥固體含量對SSDML工藝有明顯影響，重金屬的溶解率隨著污泥固體含量從8.7提高到29.6g/L而降低。氧氣濃度對SSDML工藝也有明顯影響，當(dāng)氧氣濃度從2提高到7 mg/L時(shí)，氧化還原電位、酸化率和總揮發(fā)性固體的降解率都得到了提高[20]。

5 規(guī)?；瘧?yīng)用存在的問題

盡管生物淋濾技術(shù)可以高效的去除污水污泥中的重金屬，但是目前還沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。目前主要存在的技術(shù)問題如下：

5.1 污泥肥料成分含量的損失

污泥生物淋濾過程中存在一個(gè)主要的關(guān)注熱點(diǎn)是可能的肥料成分含量的損失。污泥中75%的營養(yǎng)元素可以在淋濾的過程中損失掉。在淋濾過程中，pH通常都降至2以下，在降低的pH和較高的氧化還原電位條件下使得污泥中的有機(jī)物被氧化，進(jìn)而使得污泥中的營養(yǎng)元素被溶解出來。N的損失也可能是因?yàn)槲勰嘀形⑸锏牡鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞所致。淋濾的時(shí)間越長，損失的營養(yǎng)元素含量將會(huì)越多。Shanableh和Ginige[21]發(fā)現(xiàn)在生物淋濾污泥過程中有76%的P和38%的N被損失了。Wong等[22]發(fā)現(xiàn)在較低的起始pH時(shí)，以氧化亞鐵硫桿菌淋濾污泥會(huì)有39%N和45%P的損失，但是在pH為6時(shí)N和P的損失基本可以忽略。Blais等[23]也發(fā)現(xiàn)在污泥起始pH為1.5時(shí)，淋濾過程會(huì)有44%的P損失，而起始pH為2.5時(shí)P的損失只有6%。

5.2 污泥調(diào)理和脫水性能

在生物淋濾技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用前另一個(gè)需要注意的是污泥的調(diào)理和脫水性能。淋濾過程完成后，污泥需要在絮凝劑的幫助下進(jìn)行脫水，脫水后的污泥中和后才能作為肥料使用。然后，在pH小于2的情況下，高分子聚合物產(chǎn)生的絮體很小并且易碎，使得污泥調(diào)理和脫水變的非常困難。因而只能將pH調(diào)高至2-3之間或加入雙氧水提高氧化還原電位來克服這個(gè)問題。保持污泥的脫水性能對于淋濾后高效的固液分離具有重要意義[24]。

5.3 經(jīng)濟(jì)性問題

與傳統(tǒng)的污泥中重金屬去除方法相比，生物淋濾工藝被認(rèn)為是高效經(jīng)濟(jì)的，它只需要傳統(tǒng)化學(xué)法1/5的成本。通常，生物淋濾過程需要16-20d，在此期間需要足夠的曝氣和攪拌。去除重金屬的成本除了包括化學(xué)藥劑、攪拌、曝氣、基建和運(yùn)行費(fèi)用外，還應(yīng)包括污泥調(diào)理、脫水以及從酸性濾出水中回收重金屬的費(fèi)用。Sreekrishnan和Tyagi[25]發(fā)現(xiàn)生物淋濾工藝（氧化硫硫桿菌）僅在較低處理容量和高固體濃度時(shí)具有吸引力。

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第5篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

關(guān)鍵詞：生物檢測技術(shù) 重要性 檢測方法 應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，也推動(dòng)了生物技術(shù)的發(fā)展，特別是在全球一體化的當(dāng)前，生物技術(shù)的研究成果很快就能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。在此基礎(chǔ)上，生物檢測技術(shù)在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用也日趨完善，由于該技術(shù)在檢測方式上沒有毒副作用，結(jié)果準(zhǔn)確，在食品檢測領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于目前我國在部分條件下尚不能達(dá)到技術(shù)要求，生物檢測技術(shù)在食品檢驗(yàn)中還需要進(jìn)一步的完善。

1、食品檢驗(yàn)中的生物檢測技術(shù)

為了保障食品的安全以及促進(jìn)食品生產(chǎn)水平的提高，食品檢驗(yàn)檢測有著重要的作用。傳統(tǒng)的檢驗(yàn)檢測方式主要是通過儀器進(jìn)行物理、化學(xué)方面的檢測，但由于其在某些方面存在局限性，已經(jīng)滿足不了當(dāng)前食品檢驗(yàn)的需求，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，食品檢驗(yàn)中也有了新的檢驗(yàn)方法的選擇。生活中的各類食物都是來源于自然界中的動(dòng)植物，生物技術(shù)主要是針對食品的原材料，二者有相通之處，基于此，在食品檢驗(yàn)中，生物檢測技術(shù)能達(dá)到安全、準(zhǔn)確、靈敏的檢驗(yàn)效果，在成本方面也比較低，對環(huán)境也不會(huì)造成污染。與傳統(tǒng)的檢測方法進(jìn)行對比，生物檢測技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，因此在食品檢驗(yàn)的各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用，深入到了食品的生產(chǎn)過程、質(zhì)量監(jiān)督、質(zhì)量控制、品質(zhì)評價(jià)及視頻科學(xué)研究等領(lǐng)域。

2、生物檢測技術(shù)的內(nèi)容

隨著科技的發(fā)展，生物科技的發(fā)展速度非?？?，很多領(lǐng)域內(nèi)都取得了較為突出的成績。現(xiàn)代科技條件下，生物檢測技術(shù)的規(guī)模不斷加大，內(nèi)容不斷增多，本文主要針對以下幾種生物檢測技術(shù)進(jìn)行簡單的介紹。

2.1酶檢測法

利用適量的酶對食品中的化學(xué)成分含量進(jìn)行檢測的方法就是酶檢測法，該方面具有極強(qiáng)的特異性，尤其是對食品中的生物污染或農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測時(shí)的效果非常好，且操作簡單，檢測的成本低廉。但是需要注意的是，酶需要一定的溫度及催化條件，以此來提高檢測的效率。在檢測中，主要要用到動(dòng)力學(xué)測定法、終點(diǎn)測定法、利用輔酶作用、多酶偶聯(lián)測定法、抑制劑測定法、酶標(biāo)免疫檢測法、酶反應(yīng)循環(huán)高靈敏度測定法及放射性同位素測定法等。此外，在實(shí)際檢測中，常會(huì)與免疫法結(jié)合使用，形成酶聯(lián)免疫分析檢測技術(shù)，在食品安全檢驗(yàn)中比較常用，尤其是水果或蔬菜中存在殺菌劑噻菌靈的檢測時(shí)，表現(xiàn)出的靈敏度非常高。

2.2免疫法

在生物檢測方法中，免疫法的靈敏度是最高的，特異性也非常強(qiáng)。免疫法的操作簡單，具有良好的再現(xiàn)性，應(yīng)用前景比較廣闊。采用免疫法可以對蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測，因?yàn)椴煌鞍踪|(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)差別不大，因此對不同蛋白質(zhì)進(jìn)行區(qū)別的時(shí)候只能采用免疫法或者是標(biāo)記探針法。實(shí)際檢測匯總，免疫法主要包含放射免疫法、沉淀免疫法、熒光抗體法、酶聯(lián)免疫吸附法、免疫擴(kuò)散法、凝集免疫法及免疫電泳法等幾種方法。

2.3基因芯片技術(shù)

該技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)了將大量探針固定在支持物上，能夠一次性的針對樣品大量序列進(jìn)行分析與檢測，該技術(shù)主要是針對傳統(tǒng)的核酸印跡雜交技術(shù)存在的操作復(fù)雜、操作序列數(shù)量少、自動(dòng)化程度低、檢測效率不高等缺陷而出現(xiàn)的，是一種新生的生物檢測技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展前景非常廣闊。對該技術(shù)的應(yīng)用主要是對植物中是否含有外來基因序列進(jìn)行鑒定，判斷該植物是否是生物技術(shù)作物。

2.4免疫傳感器

根據(jù)生物內(nèi)的抗原-抗體特異性合并，導(dǎo)致的化學(xué)變化而設(shè)計(jì)的生物傳感器，即免疫傳感器，其構(gòu)成主要包含感受器、轉(zhuǎn)換器、放大器。免疫傳感器主要有電化學(xué)免疫傳感器、酶免疫傳感器、壓電晶體免疫傳感器、光化學(xué)免疫傳感器以及免疫芯片等，在食品檢測中，免疫傳感器的作用主要是針對生物性危害進(jìn)行的檢測。例如可以針對農(nóng)藥、致病菌、獸藥、生物毒素等的檢測。

3、食品檢驗(yàn)中生物檢測技術(shù)的應(yīng)用

3.1殘留農(nóng)藥檢測

隨著農(nóng)藥的普遍使用，人們所食用的蔬菜中，表面殘留農(nóng)藥的成分越來越多，部分農(nóng)藥殘留含有對人體有害的物質(zhì)，長期食用就會(huì)導(dǎo)致多種疾病的出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅到人體健康。所以，人們也越來越多的關(guān)注到食品中的農(nóng)藥殘留問題，在檢測方法上尤為重視?，F(xiàn)階段，用于農(nóng)藥殘留檢測的最佳生物檢測技術(shù)有酶技術(shù)及生物傳感器技術(shù)，也是目前最主要的生物檢測方法。

3.2有害微生物檢測

食品中含有的有害微生物如果進(jìn)入人體后，會(huì)對人體產(chǎn)生較大的為好，對食品的品質(zhì)也有著嚴(yán)重的影響。所以，對有害微生物的傳播進(jìn)行控制的主要方式是采取有效直接的食品檢測方法。在此方面，生物檢測技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯，檢測的效果也比較突出。截至目前，對食品中的有害微生物檢測主要采用生物傳感器、酶聯(lián)免疫法、PCR等檢測技術(shù)，取得了較大的成果。

3.3食品成分及品質(zhì)檢測

生物感應(yīng)器是最早應(yīng)用與食品成分及品質(zhì)檢測的生物檢測技術(shù)，而葡萄糖傳感器由于最早的生物傳感器技術(shù)，在食品含糖量的檢測中最早得到應(yīng)用。除此以外，在對轉(zhuǎn)基因食品檢測中，該技術(shù)也比較常用。目前，轉(zhuǎn)基因食品對人體健康及生態(tài)環(huán)境可能存在不利的影響，因此應(yīng)該避免食用。對轉(zhuǎn)基因食品的檢測也十分必要，主要采取的方法是酶活性檢測、酶檢測、蛋白質(zhì)檢測等。

結(jié)束語

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，食品的種類也不斷豐富，對食品檢測技術(shù)的要求越高越高，在操作簡單性、檢測靈敏度、準(zhǔn)確性方面，生物檢測技術(shù)的發(fā)展?jié)M足了這一要求。在科技的不斷發(fā)展中，對生物檢測技術(shù)中的不足還要進(jìn)一步改進(jìn)，不斷完善食品檢測中生物檢測技術(shù)的應(yīng)用。

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第6篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

【摘要】

綜述了微乳液的形成機(jī)理、結(jié)構(gòu)、微乳液膜傳質(zhì)機(jī)理，研究現(xiàn)狀和其在醫(yī)藥生物上的應(yīng)用，并對微乳系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】 微乳液 機(jī)理 應(yīng)用

Abstract:The formation mechanism of microemulsion as well as its structure，mass transfer mechanism and its present situation of research and medical application was summarized in this review. In addition，industrialization prospect of microemulsion liquid membrane technology was also prospected ．

Key words:Microemulsion liquid membrane; Mechanism; Application

1943 年Hoar 和Schulman 用油、水和乳化劑以及醇共同配制得到一透明均一體系并將該體系命名為微乳液以來［1，2］，微乳液的研究受到廣泛關(guān)注。微乳液真正作為液膜體系是近十多年來出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，其在石油、環(huán)境、水處理、制藥、醫(yī)藥、食品、牛奶、飲料、造紙、紡織、電子等領(lǐng)域的廣泛用途，使其在近些年成了一個(gè)非常熱門的研究課題，本文對微乳液的形成理論、結(jié)構(gòu)、微乳液膜傳質(zhì)機(jī)理和近些年來微乳液膜作為一種分離技術(shù)的國內(nèi)外研究狀況和其在醫(yī)藥生物上的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 微乳液的形成

微乳液是在一定條件下可以自發(fā)形成的、宏觀上是各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系，一般由表面活性劑、助表面活性劑、油和水（或水溶液）組成。較為成熟的微乳形成理論有3 種，即界面混合膜理論、溶解理論和熱力學(xué)理論。Schulman提出了界面混合膜理論，即負(fù)界面張力理論，該理論認(rèn)為微乳液之所以能自發(fā)形成與瞬時(shí)負(fù)界面張力的產(chǎn)生有關(guān)，在表面活性劑和助表面活性劑的共同作用下，使油/ 水界面產(chǎn)生瞬時(shí)負(fù)界面張力，形成由表面活性劑、助表面活性劑、油和水（或水溶液）組成的混合膜，體系自發(fā)擴(kuò)張界面，形成微乳體系。該理論在解釋微乳液的形成和穩(wěn)定性上是合理的，但這種負(fù)界面張力難以測定，所以它在解釋微乳的自動(dòng)乳化現(xiàn)象時(shí)缺乏有力的實(shí)證，并且事實(shí)上一些雙鏈離子型表面活性劑如AOT 和離子表面活性劑也能形成微乳而無需加入助表面活性劑，所以該理論存在一定的局限性。

溶解理論以Shinoda 和Friberg 等為代表，認(rèn)為微乳的形成是油相和水相增溶于膠束或反膠束中而使膠束逐漸變大并溶脹到一定粒徑范圍內(nèi)的結(jié)果，但此理論無法解釋表面活性劑的濃度大于臨界膠束濃度(CMC) 時(shí)即可產(chǎn)生增溶作用這一事實(shí)，而此時(shí)也并不一定形成微乳。

熱力學(xué)理論以Ruckenstein 和Overbeek 等為代表，他們從熱力學(xué)方面對微乳的形成進(jìn)行了闡述，認(rèn)為表面活性劑降低油水表面張力的程度和系統(tǒng)的熵變決定了微乳形成的自由能，公式:ΔG f =γΔA -TΔS ，其中ΔGf 表示微乳形成的自由能，γ表示油水表面的表面張力，ΔA 表示微乳化時(shí)表面積的變化，ΔS 表示系統(tǒng)的熵變， T 是熱力學(xué)溫度。值得注意的是，由于微乳形成時(shí)有大量非常小的液滴生成，ΔA是非常大的。Taha 等通過計(jì)算機(jī)輔助的分子建模、描述符計(jì)算及多重線性回歸技術(shù)提出了統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有重要意義的O/ W 和W/ O 微乳的模型，使人們對微乳的形成過程和性質(zhì)有了更深更好的理解。

2 微乳液的結(jié)構(gòu)

微乳液又稱膨脹膠束，可以看成是膠束內(nèi)核增溶非極性或極性物質(zhì)后所形成的體系。而膠束是表面活性劑分子當(dāng)濃度超過其臨界膠束濃度后在水或有機(jī)溶劑中自發(fā)締合形成的自組織系統(tǒng)（或聚集體），在水中形成的聚集體稱為正常膠束（normal micelle），在有機(jī)溶劑中形成的聚集體稱為反膠束(reversed micelle)。膠束內(nèi)部的非極性環(huán)境使它可以增溶非極性物質(zhì)水形成膨脹膠束，又稱為水包油型微乳液（O/W）；同樣，反膠束內(nèi)部的極性環(huán)境使它可以增溶極性物質(zhì)形成膨脹反膠束，或稱為油包水型微乳液（W/O）。目前，膠束和微乳液的區(qū)分尚無嚴(yán)格界定，兩者在拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)上極為相似，但還是有區(qū)別。對于反膠束和W/O型微乳液來說，兩者的主要區(qū)別在于W/O型微乳液的水池內(nèi)有自由水存在，反膠束則沒有。膠束的大小一般在5 nm以下，而微乳液的大小則在5 nm以上［3］，但不超過40 nm［4］。根據(jù)表面活性劑分子極性端基電離性質(zhì)的不同，微乳液可分為以下4 種類型：非離子型微乳液（如以O(shè)P-7［壬基酚聚氧乙烯（7）醚］和OP-4［壬基酚聚氧乙烯（4）醚］等非離子表面活性劑組成的微乳液），陽離子型微乳液（如以十六烷基三甲基溴化銨組成的微乳液），陰離子型微乳液［如以AOT［二-（2-乙基己基）磺化琥珀酸鈉］和SDS（十二烷基硫酸鈉）組成的微乳液，兩性離子型微乳液（如以卵磷脂、甜菜堿類表面活性劑組成的微乳液）。圖1是膠束、反膠束和微乳液的示意圖。

3 微乳液的相行為

從連續(xù)相性質(zhì)來分，微乳液有O/W(水包油)、W/O(油包水)和雙連續(xù)型。而從相平衡觀點(diǎn)來看，微乳液體系可分為WinsorⅠ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四個(gè)相平衡體系。如圖2所示。

3.1 WinsorⅠ體系O/W型微乳液與過剩油相共存的兩相平衡體系。

3.2 WinsorⅡ體系W/O型微乳液與過剩水相共存的兩相平衡體系。

3.3 WinsorⅢ體系雙連續(xù)型微乳液（中相微乳液）同時(shí)與過剩油相和過剩水相共存的三相平衡體系。

3.4 WinsorⅣ體系O/W 或W/O型微乳液的均相熱力學(xué)穩(wěn)定體系。

4 微乳液膜的傳質(zhì)機(jī)理

4.1 界面溶化傳質(zhì)機(jī)理用于水相萃取的體系是W/O型的反膠束或W/O微乳液，萃取過程在winsorⅡ體系(W/O型微乳液和水相的兩相平衡體系) 中進(jìn)行。在傳質(zhì)方面，Plucinski和Nitsch提出了萃取過程的界面溶化傳質(zhì)機(jī)理（又稱“bud”膠束溶化機(jī)理或 “蓓蕾”狀膠束溶化機(jī)理，該機(jī)理如圖3所示。

其要點(diǎn)是：反膠束移動(dòng)到油、水兩相的液/液界面并發(fā)生黏性碰撞使反膠束發(fā)生開孔而形成“bud”反膠束（“蓓蕾”狀反膠束），被萃溶質(zhì)隨后通過離子交換在“bud”反膠束的凹陷部分發(fā)生連續(xù)溶化（fusion），負(fù)載有溶化物的反膠束擴(kuò)散進(jìn)入有機(jī)相中。

4.2 基于液膜的界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理Tondore等［4］最早將陰離子型微乳液作為液膜使用，研究了親油化合物，如：芘、蒽在液膜中的傳質(zhì)。之后他們又拓展到W/O型微乳液萃取金屬離子Ni2+，Co2+，Cu2+等。對Ni2+，Co2+，Cu2+的萃取分離所用的體系是含萃取劑8-羥基奎啉或改性物Kelex 100的SDS-異丁醇（戊醇）-水-十二烷的陰離子型W/O微乳液。Tondre等通過用一個(gè)U-型管進(jìn)行的大量傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了W/O微乳液萃取的兩種液膜界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理，一種是通過有機(jī)相的傳質(zhì)（transfer via the organic phase）：溶質(zhì)首先轉(zhuǎn)移到有機(jī)相，然后再轉(zhuǎn)移到反膠束或W/O微乳液滴內(nèi)并通過該聚集體擴(kuò)散到第2個(gè)液/液界面；另一種是直接傳質(zhì)(direct transfer)：通過兩親分子膜的開裂-愈合方式使溶質(zhì)直接從料液相轉(zhuǎn)移到反膠束或W/O微乳液滴，然后該液滴離開第1個(gè)界面擴(kuò)散到第2個(gè)界面。這兩種界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理可用圖4表示(其中S表示溶質(zhì)，a表示水相，o表示有機(jī)相)：顯然，Tondore等提出的直接傳質(zhì)機(jī)理（b）與Plucinski和Nitsch提出“蓓蕾”狀膠束溶化機(jī)理是相似的。

4.3 液膜促進(jìn)傳質(zhì)機(jī)理用非離子型微乳液萃取分離金屬離子時(shí)常常加入萃取劑（在液膜體系中稱為流動(dòng)載體），萃取機(jī)理與傳統(tǒng)液膜萃取中的Ⅱ型促進(jìn)遷移機(jī)理相同［5，6］，萃取過程一般包括金屬離子從料液相擴(kuò)散到料液/微乳液界面，金屬離子在該界面與流動(dòng)載體發(fā)生反應(yīng)生成可溶于油相的絡(luò)合物并擴(kuò)散到微乳液/接收內(nèi)水相界面，絡(luò)合物在內(nèi)相解絡(luò)劑作用下發(fā)生解絡(luò)釋放出金屬離子等四個(gè)步驟，通過被萃物和內(nèi)相解絡(luò)劑在膜內(nèi)外兩相的偶合傳質(zhì)，最后可以使被萃物在膜內(nèi)相富集，其實(shí)質(zhì)是流動(dòng)載體在液膜內(nèi)外兩個(gè)界面之間來回穿梭地傳遞被遷移的物質(zhì)。如圖5所示。非離子型微乳液萃取研究以Wiencek等為主，他們主要研究了用非離子型表面活性劑DNP-8［雙壬基酚聚氧乙烯（8）醚］代替陰離子表面活性劑并加入流動(dòng)載體制成微乳液，用于從水相中分離富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等， 并與普通乳狀液膜體系作了對比。結(jié)果表明，非離子型微乳液膜比傳統(tǒng)粗乳狀液膜具有更高的效率。

5 微乳液體系的研究概況

微乳液體系用于蛋白質(zhì)的分離、濃縮、純化和金屬萃取的文獻(xiàn)不多，1982年后才有少量的相關(guān)報(bào)道，1990年后略有增加。用反膠束、微乳液進(jìn)行萃取分離研究主要是以德國munchen技術(shù)大學(xué)的Nitsch和Plucinski，法國Nancy大學(xué)C.Tondre教授及其合作者和美國Rutgers大學(xué)J.Wiencek 教授等人的工作為主，近年來在其他的實(shí)驗(yàn)室也開展了一些研究。如K.Osseo-Asare、 Ovejero-Escudero F.G， Angelino H， Casamatta G等［7］ 、C. S. Vijayalakshmi.， A. V. Annapragada， E. Gulari［8］，Tondore等［9］、P. Plucinski and W.Nitsch［10］、Wiencek等［11，12］，他們分別用離子型或非離子型微乳液作為分離介質(zhì)進(jìn)行了金屬離子的萃取研究。非離子型微乳液萃取研究以Wiencek等為主，他主要研究了非離子型W/O微乳液作為液膜的傳質(zhì)，用非離子型表面活性劑DNP-8 ［雙壬基酚聚氧乙烯（8）醚］代替陰離子表面活性劑并加入流動(dòng)載體制成微乳液，用于從水相中分離富集萃取Hg2+，Cu2+和HAc等， 并與普通乳狀液膜體系作了對比。結(jié)果表明，非離子型微乳液膜比傳統(tǒng)粗乳狀液膜具有更高的效率，而傳質(zhì)機(jī)理與傳統(tǒng)粗乳狀液膜相同。用微乳液膜萃取完成時(shí)間短，并在較長時(shí)間內(nèi)檢測無H+泄漏。而用普通乳狀液，萃取所需時(shí)間長。

在國內(nèi)，著名化學(xué)家徐光憲、袁承業(yè)等早在20世紀(jì)70年代開創(chuàng)性地進(jìn)行稀土串級萃取理論和工藝的研究時(shí)就發(fā)現(xiàn)液液萃取體系中微乳液的形成對萃取有增效作用［13］。韓立新等［14］、朱霞石等［15］、分別用W/O陰離子型和O/W非離子型微乳液萃取痕量金屬離子如Cd3+，Cr3+，F(xiàn)e3+的萃取，然后用濃酸或濃鹽水進(jìn)行反萃，其工作僅限于對痕量金屬離子Cd3+，Cr3+的分析。曾平等［16］研究了皂化P204/煤油體系微乳液對V（Ⅳ）萃取。近年來，龔福忠等［17，18］進(jìn)行了W/O非離子型微乳液萃取釹的研究，效果良好。

6 微乳液在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

6.1 微乳液在生物工程中的應(yīng)用微乳萃取是一項(xiàng)新出現(xiàn)的膜萃取技術(shù)， 最早用于具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸的分離［19］。在傳統(tǒng)的液膜萃取中， 由于液膜本身的穩(wěn)定性和機(jī)械性能較差， 不可避免地出現(xiàn)液膜破裂， 從而造成已被萃取的溶質(zhì)返回到料液相， 大大降低了萃取效率; 另外， 萃取完畢后，還需對液膜進(jìn)行破乳， 以分離出萃取的溶質(zhì)， 因此根據(jù)液膜的不同， 破乳設(shè)備也復(fù)雜多樣。研究發(fā)現(xiàn)，反膠團(tuán)W/ O 型微乳體系可以用于生物活性物質(zhì)的萃?。?0］，由于微乳體系中的微環(huán)境和生物細(xì)胞的環(huán)境類似，所萃蛋白質(zhì)不易變性。另外，反膠團(tuán)微乳液作為細(xì)胞的模擬膜，還可以用來制備生物分子的超微顆粒［21，22］。

最近研究還發(fā)現(xiàn)，在反膠團(tuán)W/ O 型微乳體系及低含水介質(zhì)中的酶體系中應(yīng)用酶可以增加非極性試劑的溶解度，有利于反應(yīng)進(jìn)行，提高酶的熱穩(wěn)定性。在微乳體系中，酶催化應(yīng)用于許多種反應(yīng)，例如采用脂肪酶、磷脂酶、堿性磷酸脂酶、胰蛋白酶、溶菌酶、肽酶等催化應(yīng)用于酯、肽、?；堑暮铣?、酯交換、各種水解反應(yīng)及生物堿的變換等。

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6.2 微乳液在醫(yī)藥中的應(yīng)用在制藥工業(yè)中，利用微乳粒徑小的特性，將藥物包裹在微乳小顆粒中制成液體狀的藥物，通過注射或者內(nèi)服，使藥物進(jìn)入人體，微乳液的高穩(wěn)定性可以使包裹的藥物保質(zhì)期延長，并且易于擴(kuò)散和吸收［23］，例如微乳液膜包裹的口服胃蛋白酶，由于其粒度小，大大降低了病人的不良反應(yīng)。另外，微乳作為藥物釋放體系， 已引起研究者的高度注意。通常O/W 型微乳可作為水難溶性藥物載體;W /O 型微乳可使水溶性藥物得以持續(xù)釋放，增加藥物的生物利用度［24］。微乳型藥物的研究，國外相對較多， 且已有產(chǎn)品上市。Sandoz 公司生產(chǎn)的環(huán)孢霉素A口服微乳膠囊劑Neoral， 顯著改善了藥2時(shí)曲線的峰谷水平， 生物利用度比普通型藥劑Sandimmun 提高了20%～ 30% ［25］。陳剛等［26］研究結(jié)果表明， 肝移植術(shù)后口服環(huán)孢霉素最好用環(huán)孢霉素微乳劑， 因肝移植患者術(shù)后多置T 管引流膽汁， 而Neoral 具有吸收快、穩(wěn)定、不受膽汁及食物影響的優(yōu)點(diǎn)。由于微乳劑具有分散性好，分散相顆粒小等特點(diǎn)，其在超聲造影劑(U CA )技術(shù)方面能夠大大增強(qiáng)超聲檢測信號，其應(yīng)用也得到人們的重視，氣液相變型超聲造影劑利用微乳劑分散性好、分散相顆?？梢赃_(dá)到10～ 100 nm，并具有能被長期保存的特點(diǎn)。將一類沸點(diǎn)低于人體正常體溫的物質(zhì)制成微乳劑，當(dāng)這類微乳劑注入人體后， 由于人體溫度高于其沸點(diǎn)， 就會(huì)從非致聲的小液滴轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)致聲的微泡。氣液相變型超聲造影劑是一類新型的超聲造影劑， 具有穩(wěn)定、強(qiáng)致聲及能夠通過外周靜脈實(shí)現(xiàn)心肌灌注及脈管Doppler 增強(qiáng)效應(yīng)。EchogenR是以十二氟戊烷(DDFP， 沸點(diǎn)為28. 5℃) 為主要組分制成的微乳液， 乳化劑采用非離子表面活性劑。、EchogenR已在人體內(nèi)進(jìn)行了心臟病學(xué)及放射學(xué)臨床研究［27～29］。微乳劑的制備簡單、條件溫和、設(shè)備要求不復(fù)雜， 易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化操作。目前的其它方法如聲空化法等， 受設(shè)備等條件的影響， 難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。因此，微乳氣液相變性超聲造影劑是一種很有前途的超聲造影劑［30］。

7 結(jié)論和展望

半個(gè)世紀(jì)以來，微乳系統(tǒng)的理論研究和應(yīng)用開發(fā)取得了顯著的成就，微乳液作為一種熱力學(xué)穩(wěn)定的體系， 制乳十分方便，黏度小，破乳容易，其所具有的超低界面張力和表面活性劑所具有的乳化、增溶、分散、起泡、和柔軟性等性能使它不但在醫(yī)藥生物領(lǐng)域有實(shí)際的和潛在的應(yīng)用價(jià)值，而且在其它領(lǐng)域包括石油、環(huán)境、水處理、制藥、食品、牛奶、飲料、造紙、紡織、電子等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用并取得了令人矚目的成就。盡管液膜（包括微乳液膜）分離技術(shù)存在這樣和那樣的不足，但筆者有理由相信， 隨著人們研究工作的不斷深入，理論上的不斷完善， 微乳液系統(tǒng)作為一種新型分離技術(shù)在今后的科技發(fā)展中將發(fā)揮越來越大的作用，應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景將更為廣闊。

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第7篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

關(guān)鍵詞：鋼帶式鋼絲繩斷絲檢測；檢測技術(shù)；進(jìn)展

鋼絲繩是提升、運(yùn)輸設(shè)備的一種重要構(gòu)件，在使用鋼絲繩的過程中，由于受到銹蝕、磨損等原因可能會(huì)出現(xiàn)斷絲問題，損傷嚴(yán)重甚至?xí)θ藛T的生命安全造成不利影響。鋼絲繩運(yùn)行過程中斷絲是影響其運(yùn)行情況的主要因素，因此其檢測工作顯得尤為重要，有關(guān)鋼絲繩斷絲檢測的研究近年來得到了快速發(fā)展。現(xiàn)階段鋼帶式鋼絲繩斷絲檢測方法有X射線檢測、γ射線檢測、漏磁檢測以及超聲波檢測，其中漏磁檢測是國內(nèi)外普遍使用的一種檢測方法。

1絲繩斷絲檢測原理

由于扁平結(jié)構(gòu)，鋼帶容易在水平方向上發(fā)生偏離， 導(dǎo)致電梯走行震動(dòng)、發(fā)生內(nèi)部斷絲現(xiàn)象 鋼帶需要經(jīng)常性的定期清洗保養(yǎng)，帶面不能存在垃圾 特殊開發(fā)的專用環(huán)保油脂具有優(yōu)秀的防銹、能 或異物，如果不及時(shí)清理，會(huì)導(dǎo)致電梯走行震動(dòng)和噪 力，安全、穩(wěn)定，適合各種氣候和復(fù)雜的環(huán)境 音，并快速縮短鋼帶壽命 鋼帶宣稱設(shè)計(jì)壽命為20年，但根據(jù)日本等地的使用經(jīng) 在電梯和其它各類工業(yè)產(chǎn)品上應(yīng)用百余年，經(jīng)過全球 驗(yàn)，在實(shí)際使用5年后就很容易發(fā)生表面橡膠老化、有部分鋼絲斷絲的情況 ，肉眼無法觀察到鋼帶內(nèi)部的斷絲情況，因此依靠 ，以漏磁檢測法為例，其傳感器主要由勵(lì)磁器和探頭兩部分構(gòu)成，其中勵(lì)磁器主要任務(wù)是對鋼絲繩進(jìn)行磁化，探頭的主要任務(wù)是檢測斷絲漏磁場，勵(lì)磁器的勵(lì)磁源可以利用永磁材料制作，利用感應(yīng)線圈和霍爾元件對斷絲漏磁場進(jìn)行檢測，其中性能最佳的是以霍爾片為磁敏元件的檢測器。

鋼絲繩斷絲產(chǎn)生的樓磁場共有兩個(gè)分量，分別是軸向分量Bn和徑向分量Br，利用兩個(gè)分量均可以得到鋼絲繩斷絲的具體情況，其中工程中多數(shù)情況下會(huì)利用軸向分量進(jìn)行漏磁檢測，利用霍爾元件作為主要檢測元件，在磁回路中強(qiáng)永久磁鐵使得鋼絲繩變得磁飽和化，一旦鋼絲繩出現(xiàn)了斷絲情況，由于受到磁介質(zhì)變化的影響斷口位置會(huì)產(chǎn)生漏磁場，這樣就可以利用霍爾元件對漏磁場進(jìn)行精確檢測（檢測原理如圖1）。

利用電流I通過霍爾片兩端，當(dāng)鋼絲繩磁化以后，斷絲位置就會(huì)產(chǎn)生漏磁場B，霍爾片上的磁場作用會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢：

Vh=RhIBt=RhIBsinθ

式中，Rh為比例常數(shù)，I是控制電流，B為穿過霍爾片的磁場，θ是霍爾片和磁力線的夾角。軸向與徑向兩個(gè)分量均與鋼絲繩軸線保持大致平行，在霍爾片和和鋼絲繩軸線平行時(shí)，Bh不產(chǎn)生電勢，徑向分量Br產(chǎn)生電勢，鋼絲繩位置的漏磁場與徑向分量Br和鋼絲繩斷口于繩上的位置、斷口寬度直接相關(guān)，徑向分量Br還和霍爾片與斷口之間的徑向距離直接相關(guān)，Br直接決定了霍爾電勢的大小，所以，利用霍爾電勢可以對斷口位置的漏磁場進(jìn)行檢測，同時(shí)按照漏磁場對鋼絲繩斷絲的具體情況做出判斷。

2鋼帶式鋼絲繩斷絲檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1鋼絲繩無損檢測的研究歷史

有關(guān)鋼絲繩檢測裝置的研究工作始于本世紀(jì)初，1907年鋼絲繩作為變壓器芯最開始加入到無損檢測的行列中，后來經(jīng)過工作人員的不斷摸索，這項(xiàng)技術(shù)也越來越成熟。鋼絲繩無損檢測技術(shù)研究進(jìn)展基本上可以分成以下3個(gè)階段。

2.1.1第一階段，早期探索階段

這一階段鋼絲繩檢測設(shè)備都是在1907年出現(xiàn)的第一個(gè)鋼絲繩無損檢測裝置為基礎(chǔ)形成和發(fā)展的，交流電磁感應(yīng)原理為其基本工作原理，然而從整體上來看，當(dāng)時(shí)這些設(shè)備并不是很成熟，具體操作起來也非常復(fù)雜，可靠性比較差，因此并未得到全面推廣。

2.1.2第二階段，檢測原理更新階段

這一階段主要是更新鋼絲繩無損檢測原理，該時(shí)期檢測原理主要有紅外線檢測法、超聲波檢測法、透視檢測法、放射性檢測法、磁場測定法、電磁感應(yīng)發(fā)及聲發(fā)射檢測法等。在多種因素的影響下，絕大部分采用電磁檢測法使無損檢測真正從實(shí)驗(yàn)室中走出來，形成產(chǎn)品以后投放到市場的檢測裝置之中。

2.1.3第三階段，由定性檢測向定量檢測過渡的階段

80年代初期鋼絲繩定性無損檢測技術(shù)基本上走向成熟，利用鋼絲繩檢測設(shè)備可以對鋼絲繩上是否有缺陷存在檢測準(zhǔn)確判斷，同時(shí)明確鋼絲繩上缺陷處于的位置。后來隨著鋼絲繩使用要求不斷提高，原有的檢測裝置不能滿足其使用要求，這樣就有了后來的定量檢測，準(zhǔn)確的判斷出其破損程度。

2.2國外無損檢測現(xiàn)狀

當(dāng)前英國、美國、日本、加拿大、意大利、法國等均在從事鋼絲繩無損檢測這項(xiàng)工作，其中性能較好的檢測儀器以英國的LMA-LF系列無損檢測儀和加拿大的Magnograph式無損檢測儀為代表，其中Magnograph探傷儀可以對鋼絲繩斷絲的具置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，但是還需要利用肉眼對斷絲的具體根數(shù)進(jìn)行檢查，可以看出這種探測方式處于定性檢測的范疇。LMA-LF系列則在Magnograph的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，但是仍屬于定性范疇。

2.3國內(nèi)無損檢測技術(shù)發(fā)展

我國從事鋼絲繩無損檢測的單位主要有華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、煤炭部煤科院撫順研究所等。我國對鋼絲繩斷絲檢測技術(shù)的研究比較晚，上世紀(jì)60年代末，第一臺鋼絲繩探傷儀在撫順研究所成功研制，在70年代正式開始批量生產(chǎn)，這種探傷儀被定型為TGS型探傷儀，其檢測原理主要利用電磁檢測法，后來再1987年撫順研究所和華中理工大學(xué)合作，共同研制出了鋼絲繩定量檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)主要原理為磁場測定法，鋼絲繩斷絲定量檢測自此得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前該檢測系統(tǒng)尚處于不斷完善之中，基本上可以將斷絲定量準(zhǔn)判率控制在71%以上。

3鋼絲繩斷絲檢測實(shí)驗(yàn)研究

圖2為鋼絲繩斷絲檢測裝置，磁敏元件為霍爾片，在鋼絲繩周圍均勻分布霍爾片，用來對鋼絲繩不同位置上的斷絲進(jìn)行檢測。由各個(gè)霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電勢分別檢查各自所管轄區(qū)的斷絲。同一位置上的集中斷絲可以按照不同斷絲形成的樓磁場所產(chǎn)生的霍爾電勢進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，而同一橫截面不同繩股上的斷絲，是從接近該位置的霍爾片輸出的，霍爾電勢信號模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，使其對斷絲的分辨能力得到提高，將斷絲數(shù)相加、存儲、打印，就可以從檢測數(shù)據(jù)中判斷出斷絲在位置上的分布情況，進(jìn)而對鋼絲繩上具置的最大斷絲數(shù)是否已經(jīng)超過了安全指標(biāo)進(jìn)行判斷，確定該鋼絲繩是否還可以正常使用。

如圖3，小波位于頻域、時(shí)域其局部化性質(zhì)都比較好，從擾信號中可以提取出很多有用信息，從圖中可以看出，突變信號起一點(diǎn)在同一位置的所有不同尺度上都會(huì)產(chǎn)生最大值點(diǎn)，所以利用小波變換以后不同尺度上最大值點(diǎn)數(shù)值、位置都能對信號奇異性進(jìn)行確定，尤其是信號中噪聲非常強(qiáng)的時(shí)候，利用小波變化可以對信號進(jìn)行分解，一旦噪聲與有用信號在不同頻帶之間分布，那么如果與噪聲信號相對應(yīng)的小波系數(shù)位置是零，就可以利用重構(gòu)的方式達(dá)到將噪聲消除的目的。

4結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)生產(chǎn)力的快速發(fā)展，鋼絲繩的用途也越來越廣泛，近年來被應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的很多領(lǐng)域之中，成為很多基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)械設(shè)備的重要構(gòu)件，鋼帶式鋼絲繩是近幾年開始投入研究的，隨著鋼絲繩檢測手段的增加，對其生產(chǎn)、使用及維護(hù)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而很多使用單位對具體的檢測知識并不十分了解，因此本文對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析和論述，以期引領(lǐng)大家加深對鋼帶式鋼絲繩斷絲檢測的認(rèn)知。

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第8篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

關(guān)鍵詞：體外循環(huán)術(shù)后腎損害；急性腎損害；早期診斷；生物標(biāo)志物

急性腎損害（AKI）是體外循環(huán)（CPB）后的嚴(yán)重并發(fā)癥之一，但既往缺乏統(tǒng)一的AKI診斷標(biāo)準(zhǔn)，不同研究報(bào)道的AKI發(fā)病率也相差甚遠(yuǎn)。雖然腎功能不全在CPB術(shù)后發(fā)生率不是很高，但患者一旦進(jìn)入腎功能衰竭并需要血液透析治療時(shí)，病死率就成倍上升至60%～80%；即使部分腎功能不全患者不需要血液透析治療，這部分患者仍有高達(dá)30%的病死率[1]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)心臟術(shù)后急性腎損害不僅可以引起短期死亡率的顯著升高[2]，還會(huì)增加慢性腎臟病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，顯著影響患者的遠(yuǎn)期生存率[3]。由于AKI的早期診斷較為困難及診斷標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，使治療效果與臨床預(yù)后較差.因此本文對AKI的生物標(biāo)志物進(jìn)行綜述，旨在為CPB術(shù)后AKI的早期診斷做參考。

1 體外循環(huán)術(shù)后急性腎損害（CPB-AKI）的診斷現(xiàn)狀

體外循環(huán)術(shù)后急性腎損害（CPB-AKI）是一種CPB后突發(fā)的（48h內(nèi)）、持續(xù)性的腎功能不全，具體表現(xiàn)為腎小球率過濾的降低。但介于既往缺乏統(tǒng)一的AKI診斷標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)報(bào)道的CPB-AKI的發(fā)病率介于0.3%～29.7%之間，而術(shù)后腎衰竭（ARF），需要行透析治療的患者發(fā)病率為1.2～3.0%。2004年，急性透析質(zhì)量倡議小組（ADQI）制訂了ARF的RIFLE分級診斷標(biāo)準(zhǔn)[15]，依據(jù)血肌酐、腎小球?yàn)V過率（GFR）和尿量的變化對急性腎衰竭的診斷、監(jiān)測、分期分級進(jìn)行了細(xì)致的描述，被學(xué)界所廣泛接受。隨后在2005年，AKI網(wǎng)絡(luò)（Acute Kidney Injury Network AKIN）在對于AKI的診斷，在RIFLE的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的修訂，為目前最常用AKI診斷標(biāo)準(zhǔn)。AKIN將AKI定義為：48h內(nèi)血清肌酐（Scr）上升≥26.4μmoL/L或較基礎(chǔ)值（術(shù)前最低Scr值）增幅≥50%和（或）尿量

2 體外循環(huán)術(shù)后腎功能的監(jiān)測

2.1中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白（NGAL） NGAL是一種小分子量分泌性蛋白，屬于lipocalin蛋白家族，在細(xì)胞內(nèi)鐵離子的轉(zhuǎn)運(yùn)、炎性反應(yīng)、腫瘤的轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要的作用。其最早被Mishra等發(fā)現(xiàn)在小鼠腎臟缺血模型中，NGAL基因早期即有存在表達(dá)；對CPB圍手術(shù)期兒童尿液、血液標(biāo)本進(jìn)行檢測，通過比較發(fā)現(xiàn)，NGAL在CPB 2h后，無論是血液、尿液中都有顯著升高，并且通過多變量分析顯示，CPB 2h后尿液中NGAL總量，是最有力的獨(dú)立預(yù)測AKI因子。相較于傳統(tǒng)的血清學(xué)指標(biāo)血清肌酐，NGAL在對AKI的預(yù)測效能要強(qiáng)的多。近年來有研究指出，AKI時(shí)NGAL的增高比出現(xiàn)診斷性肌酐增高要早24～72h，同時(shí)該研究通過Meta分析進(jìn)一步指出：血清、尿NGAL對CPB-AKI的早期診斷ROC曲線下面積為0.78。此外，術(shù)后12h血清NGAL水平跟平均住院時(shí)間、死亡率還有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)[5]。盡管NGAL擁有以上種種優(yōu)勢，但在不同文獻(xiàn)[6]報(bào)道的AKI診斷過程中的差異性表現(xiàn)尚缺乏充分解釋，這使得NGAL在臨床廣泛應(yīng)用，還有很長的路要走。

2.2腎損傷分子-1（Human kidney injury molecule-1，KIM-1） KIM-1是近年來研究發(fā)現(xiàn)的位于近端腎小管上皮細(xì)胞的跨膜蛋白質(zhì)。在正常人的腎臟和尿液中，KIM-1的基因、蛋白表達(dá)不可被測得，而對急性腎小管壞死的患者進(jìn)行尿液檢測發(fā)現(xiàn)，尿KIM-1能在鏡下發(fā)現(xiàn)任何管型之前被檢出，且可持續(xù)到恢復(fù)階段；糖尿病性腎病和系統(tǒng)性紅斑狼瘡腎病患者的尿KIM-1水平即使在出現(xiàn)明顯尿蛋白之后也不增高；因此，尿KIM-1還可用于AFR的病因?qū)W診斷，使有效治療能早期實(shí)施。已有動(dòng)物試驗(yàn)證實(shí)，在缺血性和中毒性腎損傷時(shí)，近曲小管上皮細(xì)胞的KIM-1表達(dá)早期即急劇升高，其增高水平與腎小管損傷程度密切相關(guān)，是一種敏感性和特異性都較高的早期診斷腎損傷的標(biāo)志物。目前已有報(bào)道國外學(xué)者將KIM-1應(yīng)用于經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療術(shù)后的腎前性腎損害的早期診斷[7]。相較于NGAL，KIM-1在健康人體不表達(dá)、定位準(zhǔn)確以及分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易受尿液中理化因素的影響等為其作為理想的腎損害生物標(biāo)志物更添優(yōu)勢[8]。

2.3 尿N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶 （N-acetyl-b-D-glucosaminidase NAG） NAG是一種主要被發(fā)現(xiàn)在近端小管上皮細(xì)胞中高相對分子質(zhì)量的溶酶體酶。尿NAG活性增高常提示腎小管細(xì)胞損傷，同時(shí)尿NAG也可被作為衡量腎小管上皮細(xì)胞功能的生物標(biāo)志物。在正常情況下，NAG不能通過腎小球?yàn)V過膜，但在腎病活動(dòng)期尿NAG可持續(xù)性增高；除此之外非細(xì)胞性損傷的溶酶體活性增高也能導(dǎo)致尿NAG增高。在AKI致尿NAG排泌增多的報(bào)道中，病因主要考慮以下三點(diǎn)：藥物毒副作用、心血管術(shù)后以及腎移植術(shù)后，然而研究發(fā)現(xiàn)慢性腎小球疾病如糖尿病腎病也可導(dǎo)致尿NAG的增高，其特異性相對不佳，真正臨床使用價(jià)值仍然有限。近年來，國內(nèi)、外專家針對NAG的應(yīng)用展開大量臨床實(shí)驗(yàn)，1999年小范圍臨床研究發(fā)現(xiàn)CPB術(shù)后ARF組與未并發(fā)ARF組患者尿液中NAG含量雖有差異，但并不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，值得注意的是，Hama擇的病例數(shù)只有22例，其樣本量的欠缺是否導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)論尚值得探討。國內(nèi)孫龍報(bào)道利用NAG動(dòng)態(tài)觀察體外循環(huán)與非體外循環(huán)下患者搭橋術(shù)后腎功能的改變，發(fā)現(xiàn)術(shù)后第3d、第5d差異具有顯著性，同時(shí)認(rèn)為NAG可以作為CPB后觀察腎功能的指標(biāo)。2009年Liangos等[9]同時(shí)對CPB圍手術(shù)期多個(gè)腎損傷指標(biāo)進(jìn)行比較，認(rèn)為NAG在早期診斷AKI的敏感性上有欠缺。

2.4白細(xì)胞介素 18 （Interleukin-18，IL-18） IL-18是白細(xì)胞介素1家族的成員之一，是一種功能強(qiáng)大的前炎癥細(xì)胞因子，其以前體形式表達(dá)于單核巨噬細(xì)胞、未成熟樹突狀細(xì)胞、T、B淋巴細(xì)胞等表面。在正常人類腎臟的腎小管上皮細(xì)胞是IL-18的重要來源，具體定位于遠(yuǎn)曲小管遠(yuǎn)端、連接小管、集合管。在動(dòng)物模型中，已經(jīng)證實(shí)IL-18與AKI的進(jìn)展密切關(guān)聯(lián)[10]，這預(yù)示著IL-18可能成為診斷AKI新的標(biāo)志物，近年來已有多項(xiàng)研究驗(yàn)證其在臨床方面的應(yīng)用的可能：Endre等對入ICU的成年患者研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過尿肌酐濃度校正的IL-18對入ICU后48h內(nèi)發(fā)生AKI患者的預(yù)測效能為AUC=0.55 （CI 0.47-0.62）[11]。Metzger等在針對早期AKI診斷的準(zhǔn)確率方面研究，通過比較傳統(tǒng)腎功標(biāo)志物跟尿蛋白組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)IL-18的ROC曲線下面積僅為0.57，然而Siew等[12]的大樣本（n =451）研究報(bào)道指出，IL-18對入ICU后24h內(nèi)發(fā)生AKI患者的預(yù)測效能為AUC=0.62 （CI 0.54-0.69）。Liangos等通過多因素回歸分析，顯示IL-18在CPB術(shù)后2h上升2倍者，出現(xiàn)AKI的概率為對照組1.38倍（P=0.04），此時(shí)最佳的預(yù)測效能為AUC=0.66 （CI 0.49-0.83）。

2.5肝臟型脂肪酸結(jié)合蛋白 （Liver fatty acid binding protein，L-FABP） L-FABP屬于脂肪酸結(jié)合蛋白家族，是一種分子量為14400 Mr 細(xì)胞質(zhì)蛋白，正常生理?xiàng)l件下，各脂肪酸代謝旺盛的組織表達(dá)L-FABP，經(jīng)腎小球過濾后在近曲小管被重吸收[13]。腎臟疾病狀態(tài)下，小管間質(zhì)性損害可減少近曲小管L-FABP的重吸收，導(dǎo)致尿中L-FABP升高[14]。Portilla等[15]對兒童心臟手術(shù)的前瞻性研究報(bào)道，AKI患者的尿L-FABP明顯升高，并且尿L-FABP在心臟手術(shù)后的4h出現(xiàn)高峰，其中，需要注意L-FABP也在肝臟大量的表達(dá)，尿L-FABP可能會(huì)受到血 L-FABP的影響；但是在CPB術(shù)后的AKI的病例研究中發(fā)現(xiàn)，既有急性肝損傷又有AKI的一組患者，其血L-FABP水平是在術(shù)后12h出現(xiàn)高峰，而尿L-FABP在術(shù)后4h出現(xiàn)高峰，12h開始下降，由此可以推斷尿L-FABP是由于近端腎小管分泌的，而不是來源于血清L-FABP的濾過。同時(shí)多項(xiàng)研究也提示[16-17]，尿L-FABP在多種病因?qū)е碌腁KI早期即會(huì)短時(shí)間內(nèi)顯著增高，如急性腎小管壞死、膿毒血癥、對比劑腎病、腎毒性物質(zhì)接觸、心臟大血管術(shù)后等。這些都證明尿L-FABP在多種類型的AKI早期評價(jià)中具有重要價(jià)值，尤其是作為近端小管損傷的敏感標(biāo)記物。

3 結(jié)語

隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，心臟病體外循環(huán)術(shù)日臻成熟，其并發(fā)癥發(fā)生率明顯降低，但急性腎損傷仍然是其術(shù)后較嚴(yán)重并發(fā)癥之一，尚缺乏有效的治療措施；因此，早期發(fā)現(xiàn)急性腎損害的意義重大，目前臨床上診斷AKI主要依靠術(shù)后血清肌酐的變化，但是血清肌酐變化易受性別、年齡、進(jìn)食、肌肉含量及藥物等因素影響，特異度和敏感度均較低，通常在腎功能受損后數(shù)日才有明顯升高，用作外循環(huán)術(shù)后AKI的早期診斷有一定局限性，會(huì)明顯延誤AKI的診斷。本文介紹的5種生物標(biāo)志物靈敏度高、檢測取材簡便、快速，相較于肌酐在某些方面有著巨大優(yōu)勢，但是目前的研究尚處于初級階段，這些新發(fā)現(xiàn)的AKI早期診斷生物學(xué)指標(biāo)是否能夠應(yīng)用于臨床，還需要進(jìn)一步的大樣本多中心的臨床試驗(yàn)驗(yàn)證。

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第9篇：生物技術(shù)研究進(jìn)展范文

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